机载光纤惯性导航解决方案

高精度导航系统是飞机导航控制和武器系统精确攻击的核心设备。其主流方案包括平台方案和捷联方案。随着捷联惯导技术和光学陀螺的发展，捷联惯导以其高可靠性、轻体积小、低功耗、低成本等优点在机载领域得到了广泛的应用[1-4]。目前，机载捷联导航系统是激光陀螺捷联导航系统和光纤陀螺捷联导航系统的结合。其中，诺斯罗普·格鲁曼公司的LN-100G、霍尼韦尔公司的H-764G激光陀螺捷联导航系统和诺斯罗普·格鲁曼公司的LN-251光纤陀螺捷联导航系统已广泛应用于美国战斗机机队中[1]。诺斯罗普·格鲁曼公司开发了以高精度光纤陀螺为重要标志的直升机导航系统LN-251，然后开发了适应飞机导航的LN-260。LN-260被美国空军选中用于F-16多国战斗机机队的航空电子设备升级。在部署之前，对LN-260系统进行了测试，在高动态环境中，定位精度为0.49n英里(CEP)，北向速度误差为1.86ft/s (RMS)，东向速度误差为2.43ft/s (RMS)。因此，光学捷联惯导系统在导航和制导能力方面完全可以满足飞机的作战要求[1]。

与激光陀螺捷联导航系统相比，光纤陀螺捷联导航系统具有以下优点:1)不需要机械抖动，简化了系统结构和减振设计的复杂性，减轻了重量和功耗，提高了导航系统的可靠性;2)光纤陀螺的精度频谱覆盖战术级到战略级，其对应的导航系统也可以形成相应的导航系统频谱;3)光纤陀螺仪的体积直接取决于光纤环的大小。随着细径光纤的成熟应用，具有相同精度的光纤陀螺仪体积越来越小，向轻量化、小型化发展是必然趋势。

总体设计方案

机载光纤陀螺捷联导航系统充分考虑了系统散热和光电分离，采用“三腔”方案[6,7]，包括IMU腔、电子腔和二次电源腔。IMU空腔由IMU本体结构、光纤传感环和石英柔性加速度计(石英加表)组成;电子空腔由陀螺光电箱、仪表转换板、导航计算机及接口板、卫生导板组成;二次电源空腔由封装的二次电源模块、EMI滤波器、充放电电容器组成。陀螺光电盒与IMU腔内的光纤环共同构成陀螺部件，石英挠性加速度计与仪表转换板共同构成加速度计部件[8]。

总体方案强调光电组件的分离和各组件的模块化设计，光学系统和电路系统的分离设计，保证整体散热和交叉干扰的抑制。为了提高产品的可调试性和装配工艺，采用连接器连接电子室中的电路板，并对IMU室中的光纤环和加速度计分别进行调试。在形成IMU后，进行整个装配。

电子腔内的电路板从上到下为陀螺光电箱，包括陀螺光源、探测器和前放电电路;表转换板主要完成加速度计电流信号到数字信号的转换;导航解决方案和接口电路包括接口板和导航解决方案板，接口板主要完成多通道惯性器件数据的同步采集;电源交互和对外通信，导航解决方案板主要完成纯惯性导航和组合导航解决方案;导板主要完成卫星导航，并将信息发送给导航解决方案板和接口板完成组合导航。二次电源与接口电路通过连接器连接，电路板通过连接器连接。

关键技术

1. 综合设计方案

机载光纤陀螺导航系统通过多传感器集成实现飞机六自由度运动检测。三轴陀螺仪和三轴加速度计可考虑进行高集成度设计，降低功耗、体积和重量。对于光纤陀螺组件，可以共享光源进行三轴集成设计;对于加速度计组件，一般采用石英挠性加速度计，转换电路只能采用三种方式设计。在多传感器数据采集中还存在时间同步问题。对于高动态姿态更新，时间一致性可以保证姿态更新的准确性。

2. 光电分离设计

光纤陀螺是一种利用萨格纳克效应测量角速度的光纤传感器。其中，光纤环是光纤陀螺仪灵敏角速度的关键部件。它由几百米到几千米的纤维缠绕而成。如果光纤环的温度场发生变化，光纤环各点的温度随时间变化，两束光波在不同时间通过该点(光纤线圈的中间点除外)，经历不同的光路，产生相位差，这种非互易相移与旋转引起的Sagneke相移无异。为了提高光纤陀螺仪的温度性能，需要使陀螺仪的核心部件光纤环远离热源。

对于光电集成陀螺仪，陀螺仪的光电器件和电路板靠近光纤环。当传感器工作时，器件本身的温度会在一定程度上上升，并通过辐射和传导影响光纤环。为了解决温度对光纤环的影响，系统采用光电分离的光纤陀螺仪，包括光路结构和电路结构，两种结构独立分离，光纤与波导之间连接。避免来自光源盒的热量影响光纤的传热灵敏度。

3.上电自检测设计

光纤陀螺捷联导航系统需要对惯性装置具有电性能自检功能。由于导航系统采用纯捷联安装，没有换位机构，因此惯性装置的自检是通过静态测量完成的，分为设备级自检和系统级自检两部分，没有外部换位激励。

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