光纤陀螺惯性测量单元数据频混误差仿真分析

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1、2016年9月北京航空航天大学学报September2016第42卷第9期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No·9http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu。enDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0544光纤陀螺惯性测量单元数据频混误差仿真分析潘雄’，黄玉琼，张少博，王夏霄，宋凝芳(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083)摘要：导航计算机对光纤陀螺(FOG)测量数据的异步重采样将引起数据的频谱混叠误差。

2、基于FOG信号检测特点，以FOG闭环输出数据更新率、惯性测量单元(IMU)异步通信定时脉冲频率为参量，以载体的正弦干扰频率为变量，以导航计算机接收信号直流(DC)分量的幅值误差抑制为目标，建立了仿真模型。分析了现有内插抽取方案和滑动滤波方案的数据频混误差及延时特性。提出了类盲发变滑窗长度方案，抑制了频混误差响应谱对滑窗长度的敏感性。仿真结果表明，相比滑窗长度偏离最优值4％的滑动滤波方案，变滑窗长度方案的误差最大值从0．05685降至0．009737，能更好地适应定时脉冲信号频率抖动或切换的工程应用需求。关键词：光纤陀螺(FOG)；导航；异步通信；多抽样率；数字滤波中图分

3、类号：V249．32+2；TN911．72文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)09-1836-07基于Sagnac效应的干涉式闭环光纤陀螺(FOG)⋯，完成一次闭环控制的时间为相向传输的2束光通过光纤线圈的传输时间，即渡越时间r。，具体由光程决定，一般为斗s级旧J，对应的闭环输出数据更新率为几百kHz。导航计算机有其自行设定的数据采样率"1，一般为400～2000HzHl，通过给多轴陀螺和加速度计发送同步通信脉冲或地址来定时。在某些卫星姿态控制系统中，为尽可能地节省资源，在不同的卫星工作模式下，导航计算机会在不同数据采样率之间切换。工程应用中光纤陀螺与

4、导航计算机一般各自生产调试，时钟基准一般不同。即使二者使用相同的晶振，温度等外界因素引起的晶振漂移、抖动等也将导致二者产生时间上的同步误差。导航计算机对光纤陀螺测量数据的异步重采样将引起数据频谱混叠误差"1。此外，光纤陀螺在振动环境下激发的与振动同频或倍频成分会以加性干扰形式混入闭环输出的角速率测量信号中，使频谱混叠误差更加复杂旧1。采用多抽样率信号处理技术"1，设计良好的抗混叠滤波器原则上能将上述误差抑制到不影响光纤陀螺静态测量精度，但为保证导航中惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMU)载体姿态更新的实时性"-，光纤陀螺与导航计算机间数据

5、传输过程的延时必须控制在导航计算机的采样周期内H1，限制了抗混叠滤波器的性能。文献[10]提出了多阻带滤波器级联抽取方案，抑制了光纤陀螺振动时引起的高频信号误差，但数据传输方案由光纤陀螺定时，不能满足IMU中由导航计算机定时的需求；文献[11]提出了光纤陀螺滑动滤波的输出滤波器设计，但未具体分析数据处理后的频混误差；文献[12]提出了整周期采样修正方法，能有效抑制整周期采样造成的姿态算法漂移误差，解决了激光陀螺与导航计算机间数据传输的异步与整数倍变采样的问题，但不适用于由光纤陀螺构成的IMU。收稿日期：2015-08-24；录用日期：2015—10-23；网络出版时间：

6、2015—12．1711：33网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151217．1133．013．html}通讯作者：Tel，：010-82316547-898E-mail：08768@buaa．edu．en子f用格式：潘雄，黄玉琮，张少博，等·老纤陀螺惯性测量单元数据颠混误差仿真分析fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42f9)：J836一1842·PAⅣX，HUANGyQ，ZHANGSB，etaj．Simulati。nandanalysisofdata[requency脚jx面gerro借抽IMUbased。n

7、FoGfJJ．JomalofBeifi“gUniversityofAeroⅢtlcs∞dAs

8、tonautics，2016，42f9)：1836—1842mChinese)．第9期潘雄，等：光纤陀螺惯性测量单元数据频混误差仿真分析1837本文通过对光纤陀螺IMU数据传输方法的频混误差、延时特性进行理论分析和建模仿真，提出了适用于光纤陀螺IMU的类盲发变滤波滑窗长度的数据传输方案，该方案有效降低了正弦干扰信号频率变化时光纤陀螺与导航计算机间异步变采样率数据传输的频混误差，且满足惯性导航系统数据传输实时性的要求。1数据传输方法的误差与延时分析