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第1章 光纤陀螺惯性系统技术概述1

1.1 惯性技术概述1

1.1.1 惯性技术的原理与特点1

1.1.2 惯性技术的发展历程3

1.2 惯性系统中常用坐标系8

1.2.1 惯性导航技术的物理学基础8

1.2.2 常用坐标系9

1.2.3 对地球相关特征的描述13

1.3 光纤陀螺惯性系统的类型与特点21

1.3.1 光纤陀螺惯性系统的类型21

1.3.2 光纤陀螺惯性系统的特点22

1.4 光纤陀螺惯性系统的应用及发展23

1.4.1 光纤陀螺惯性系统的典型应用23

1.4.2 光纤陀螺惯性系统的产业化及发展趋势32

第2章 光纤陀螺技术概述35

2.1 光纤陀螺工作原理35

2.1.1 Sagnac效应35

2.1.2 光纤陀螺原理36

2.1.3 光纤陀螺的主要光电子器件38

2.2 光纤陀螺的类型、特点及性能指标41

2.2.1 光纤陀螺类型41

2.2.2 光纤陀螺的主要特点44

2.2.3 光纤陀螺的主要性能指标45

2.3 干涉型开环光纤陀螺47

2.3.1 正弦波相位调制48

2.3.2 方波相位调制49

2.3.3 开环光纤陀螺基本结构51

2.3.4 开环光纤陀螺检测原理53

2.4 干涉型闭环光纤陀螺55

2.4.1 闭环光纤陀螺方案56

2.4.2 偏置调制和反馈方法58

2.4.3 闭环光纤陀螺的输出61

2.4.4 闭环光纤陀螺的故障分析63

2.5 光纤陀螺误差模型及误差机理64

2.5.1 光纤陀螺的误差模型64

2.5.2 光纤陀螺零偏误差及机理67

2.5.3 光纤陀螺标度因数误差及机理72

第3章 光纤陀螺惯性系统中应用的加速度计77

3.1 加速度计概述77

3.1.1 加速度计工作原理与分类77

3.1.2 光纤陀螺惯性系统对加速度计的要求79

3.2 石英挠性加速度计80

3.2.1 石英挠性加速度计工作原理81

3.2.2 石英挠性加速度计结构及伺服电路83

3.2.3 石英挠性加速度计的主要误差86

3.3 悬丝支承摆式加速度计90

3.3.1 悬丝支承加速度计工作原理与结构组成90

3.3.2 涡流传感器原理、结构及测量电路93

3.4 石英振梁加速度计97

3.4.1 振梁加速度计工作原理97

3.4.2 石英双端音叉与石英晶体振荡器100

3.4.3 振梁加速度计信号的处理102

3.4.4 振梁加速度计的主要误差104

3.5 摆式硅微加速度计106

3.5.1 微机电加速度计概述106

3.5.2 摆式硅微加速度计工作原理107

3.5.3 摆式硅微加速度计的伺服电路111

3.5.4 摆式硅微加速度计的主要误差117

3.6 其他类型的微机电加速度计120

3.6.1 叉指式硅微加速度计120

3.6.2 振梁式硅微加速度计122

3.6.3 隧道电流式硅微加速度计125

3.7 新型光学加速度计126

3.7.1 光纤加速度计126

3.7.2 微光机电加速度计129

第4章 光纤陀螺捷联惯性测量装置132

4.1 光纤陀螺捷联惯性测量装置概述132

4.2 光纤陀螺惯性测量装置总体设计133

4.2.1 一般设计流程133

4.2.2 系统总体方案确定及精度分配134

4.2.3 系统电路及电气接口方案设计135

4.2.4 系统机械结构方案设计136

4.2.5 寿命与可靠性、安全性、维修性设计136

4.2.6 系统试验和验证方案设计137

4.2.7 典型光纤陀螺惯性测量组合设计举例137

4.3 冗余配置型光纤陀螺惯性测量装置设计139

4.3.1 陀螺冗余配置技术概述139

4.3.2 冗余配置方案与可靠性评估141

4.3.3 冗余配置方案最优化分析143

4.3.4 冗余配置故障判断和定位方法145

4.3.5 典型冗余配置光纤陀螺惯性系统设计实例147

4.4 光纤陀螺惯性测量装置输入输出模型系数的标定149

4.4.1 光纤陀螺与加速度计静态模型及标定150

4.4.2 四轴冗余光纤陀螺惯性组合静态模型及标定158

4.4.3 六轴冗余光纤陀螺惯性组合静态模型及标定159

4.5 光纤陀螺惯性测量装置温度误差建模及标定161

4.5.1 光纤陀螺温度误差建模概述161

4.5.2 多元线性回归建模方法的应用163

4.5.3 光纤陀螺在惯测组合通电启动过程中的零偏温度误差建模及标定164

4.5.4 光纤陀螺在惯测组合稳态工作时的零偏温度误差建模及标定166

4.5.5 加速度计的零偏和标度因数温度误差建模及标定168

第5章 光纤陀螺惯性系统的设计实现171

5.1 光纤陀螺惯性系统设计概述171

5.1.1 工程产品研制过程概述171

5.1.2 典型应用领域对光纤陀螺惯性系统的需求172

5.2 光纤陀螺惯性系统结构设计178

5.2.1 系统结构与布局179

5.2.2 惯性组合及其测试工装结构设计179

5.2.3 系统结构刚度设计180

5.2.4 系统结构的热设计181

5.2.5 系统结构的精度分析及分配182

5.2.6 结构计算机辅助分析与设计184

5.3 光纤陀螺惯性系统的减振设计185

5.3.1 减振技术概述185

5.3.2 减振设计技术188

5.4 光纤陀螺惯性系统电气设计191

5.4.1 供电系统设计191

5.4.2 信号采集与处理电路设计194

5.4.3 石英挠性加速度计用模／数转换电路设计197

5.4.4 电气接口设计204

5.4.5 典型电气系统设计举例210

5.5 光纤陀螺惯性系统软件设计215

5.5.1 光纤陀螺惯性系统软件的功能与特点215

5.5.2 典型光纤陀螺惯性系统软件设计示例215

5.5.3 软件工程化研制流程219

第6章 光纤陀螺惯性系统环境适应性设计与试验223

6.1 环境适应性设计与试验技术概述223

6.1.1 产品环境适应性与可靠性223

6.1.2 环境适应性试验分类224

6.1.3 环境试验相关标准225

6.2 力学环境条件适应性设计与试验226

6.2.1 力学环境适应性概述226

6.2.2 力学环境适应性设计227

6.2.3 力学环境适应性试验228

6.3 温度环境适应性设计与试验232

6.3.1 温度环境适应性概述232

6.3.2 温度环境防护设计233

6.3.3 典型的温度控制方案234

6.3.4 温度环境适应性试验236

6.4 电磁兼容性设计与试验237

6.4.1 电磁兼容性设计概述237

6.4.2 系统机械结构的电磁兼容性设计240

6.4.3 系统电气部件的电磁兼容性设计242

6.4.4 电磁兼容试验243

6.5 空间环境适应性设计与试验243

6.5.1 空间辐照环境适应性设计与试验243

6.5.2 空间热真空环境适应性设计与试验252

6.6 其他环境适应性设计与试验254

6.6.1 潮湿环境适应性设计与试验255

6.6.2 盐雾环境适应性设计与试验256

6.6.3 霉菌环境适应性设计与试验257

6.6.4 沙尘环境适应性设计258

6.6.5 惯性系统结构的三防设计258

6.7 综合环境适应性试验260

6.8 老炼与储存试验262

6.8.1 老炼试验技术262

6.8.2 储存试验技术264

6.9 光纤陀螺惯性系统寿命评估与加速寿命试验265

6.9.1 寿命评估与加速寿命试验概述265

6.9.2 光纤陀螺惯性系统寿命评估与加速寿命试验267

6.9.3 光纤陀螺的寿命预计模型及试验预计步骤272

6.9.4 光纤陀螺主要光电子器件的寿命预计及加速试验275

6.9.5 典型光纤陀螺惯性系统加速寿命试验设计279

第7章 光纤陀螺捷联惯性导航系统281

7.1 惯性导航系统基本原理概述281

7.1.1 惯性导航系统的基本方程281

7.1.2 舒拉调谐原理及其实现283

7.1.3 惯导系统高度通道特性286

7.2 捷联惯导系统的基本算法288

7.2.1 惯性导航系统中的时钟基准288

7.2.2 捷联惯导系统基本算法289

7.2.3 捷联惯导系统的模型编排297

7.3 光纤陀螺捷联惯导系统误差及其特点301

7.3.1 光纤陀螺在惯性系统应用中的主要误差301

7.3.2 光纤陀螺噪声对惯导系统的影响305

7.3.3 惯导系统误差方程310

7.3.4 静基座误差传播特性314

7.3.5 光纤陀螺捷联惯导系统误差特点318

7.4 光纤陀螺捷联惯导系统的旋转调制技术322

第8章 光纤陀螺捷联惯性组合导航系统329

8.1 惯性组合导航系统概述329

8.2 惯性组合导航系统中的滤波技术330

8.2.1 滤波技术概述330

8.2.2 惯性组合导航系统中常用的滤波技术333

8.2.3 卡尔曼滤波在惯性组合导航系统中的应用334

8.3 典型的光纤陀螺捷联惯性组合导航系统339

8.3.1 组合导航系统算法编排339

8.3.2 光纤陀螺捷联惯性组合导航系统中的误差模型340

8.3.3 光纤陀螺捷联惯性／GPS组合导航系统342

8.3.4 光纤陀螺捷联惯性／星光组合导航系统353

8.3.5 光纤陀螺捷联惯性／地磁匹配组合导航系统358

第9章 光纤陀螺捷联惯性导航系统初始对准技术362

9.1 惯性导航系统初始对准技术概述362

9.1.1 初始对准的分类及要求362

9.1.2 初始对准技术的研究重点363

9.1.3 光纤陀螺捷联惯导系统初始对准的特点365

9.2 捷联惯导系统自对准技术365

9.2.1 罗经法自对准技术366

9.2.2 光纤陀螺零偏相关误差与对准精度的关系374

9.3 动基座传递对准技术375

9.3.1 动基座传递对准概述375

9.3.2 动基座传递对准算法377

9.3.3 动基座传递对准误差分析385

9.4 传递对准试验技术393

9.4.1 试验室环境的传递对准试验394

9.4.2 外场环境下的传递对准试验395

9.4.3 试验精度评定方法397

第10章 光纤陀螺捷联航姿系统400

10.1 光纤陀螺捷联航姿系统概述400

10.1.1 航姿系统技术发展概述400

10.1.2 光纤陀螺航姿系统基本要求及关键技术401

10.2 光纤陀螺捷联航姿系统水平通道阻尼技术404

10.2.1 航姿系统的水平通道内阻尼技术404

10.2.2 航姿系统的水平通道外阻尼技术412

10.3 光纤陀螺捷联航姿系统高度通道阻尼技术416

10.4 飞机用光纤陀螺捷联航姿系统420

10.4.1 机载捷联式航姿系统发展概况420

10.4.2 机载航姿系统主要的辅助导航设备422

10.4.3 机载光纤陀螺航姿系统典型设计方案427

10.5 舰船用光纤陀螺捷联航姿系统430

10.5.1 国外发展现状430

10.5.2 船用光纤陀螺捷联航姿系统设计概要432

10.5.3 典型设计方案举例436

10.6 光纤陀螺捷联航姿系统发展趋势437

第11章 光纤陀螺寻北及定位定向系统440

11.1 自主寻北与定位定向技术概述440

11.2 几种典型的陀螺自主寻北定向设备441

11.2.1 陀螺罗经与平台罗经441

11.2.2 陀螺经纬仪444

11.2.3 解析式光纤陀螺寻北仪446

11.2.4 几种陀螺寻北／定向设备的比较448

11.3 解析式光纤陀螺寻北系统及其设计449

11.3.1 解析式光纤陀螺寻北系统基本工作原理449

11.3.2 解析式光纤陀螺寻北系统的几种典型寻北方案451

11.3.3 倾斜状态下光纤陀螺寻北仪四位置寻北误差分析457

11.3.4 解析式光纤陀螺寻北系统设计概要462

11.3.5 光纤陀螺寻北系统的特点与应用464

11.4 车辆用光纤陀螺定位定向系统465

11.4.1 车辆用定位定向系统功能与特点465

11.4.2 典型的车载定位定向系统方案466

第12章 光纤陀螺惯性系统在空间领域的应用472

12.1 光纤陀螺在空间领域中的应用概述472

12.2 航天器轨道和姿态控制中的主要敏感器474

12.2.1 航天器轨道和姿态运动及控制简介474

12.2.2 轨道和姿态控制系统的主要敏感器477

12.3 光纤陀螺在航天器姿态确定系统中的应用478

12.3.1 光纤陀螺／星敏感器组合式卫星姿态确定系统479

12.3.2 光纤陀螺／红外地平仪／磁强计组合式卫星姿态确定系统481

12.3.3 光纤陀螺性能对姿态确定精度的影响485

12.4 光纤陀螺在航天器自主导航中的应用486

12.4.1 航天器的自主导航方式概述486

12.4.2 光纤陀螺惯性系统在航天器自主导航中的应用489

12.5 空间用光纤陀螺组件电气可靠性设计技术495

12.5.1 电路部分的冗余设计495

12.5.2 二次电源安全性设计497

12.5.3 基于休眠与快速唤醒功能的低功耗设计498

12.5.4 软件冗余容错设计499

12.6 空间用光纤陀螺组件的在轨测试技术501

12.6.1 光纤陀螺的在轨测试和评估技术501

12.6.2 光纤陀螺组件在轨测试方法501

第13章 光纤陀螺惯性系统在其他领域的应用509

13.1 光纤陀螺惯性系统的其他应用概述509

13.2 光纤陀螺惯性系统在导弹姿态控制中的应用510

13.2.1 在导弹姿态控制中的应用概述510

13.2.2 在导弹姿态控制中的应用特点511

13.2.3 在导弹姿态控制中的应用举例512

13.3 光纤陀螺惯性系统在姿态稳定及姿态跟踪领域中的应用515

13.4 光纤陀螺惯性系统在合成孔径雷达运动误差补偿中的应用518

13.4.1 运动误差补偿的基本原理520

13.4.2 具体的运动误差补偿方法521

13.4.3 光纤陀螺惯性系统在合成孔径雷达运动误差补偿中的应用及特点522

13.5 光纤陀螺惯性系统在铁路交通及汽车安全防护中的应用524

13.5.1 在铁路轨道检测中的应用524

13.5.2 在汽车安全防护中的应用527

13.6 光纤陀螺惯性系统在大地测量领域中的应用530

13.7 光纤陀螺惯性系统在建设工程领域中的应用531

13.7.1 地下管道检测532

13.7.2 能源勘探开采中的应用533

13.7.3 大坝安全监测537

参考文献541