[发明专利]四轴光纤陀螺仪及其寻北方法

说明书

本发明公开了一种四轴光纤陀螺仪及其寻北方法，属于惯性导航及其相关领域；本发明中所述的用于寻北应用的四轴光纤陀螺仪，通过水平轴向的四个互成90°的光纤环同时敏感四个轴向的地球自转角速度分量，因此该陀螺可以直接输出北向信息，不再需要传统寻北仪中的转位机构，可以有效降低寻北时间，提高寻北精度。

技术领域

本发明涉及惯性导航及其相关领域，尤其涉及一种四轴光纤陀螺仪及其寻北方法。

背景技术

光纤陀螺寻北仪是一种测量北向方位角的的快速定向装置，具有精度高、寿命长、结构简单等特点，广泛用于战车或武器的初始方位瞄准。

光纤陀螺寻北仪中使用的光纤陀螺，是一种敏感角速率的传感器，其原理是基于光学Sagnac效应的光纤干涉仪。传统光纤陀螺仪的光路结构如图1所示，发生旋转时，其内部的环形干涉光路会产生一个正比于旋转角速率的Sagnac相移，Sagnac相移φ_sag和系统旋转速率的关系如下：

式中ω为光波的角频率，c为光速，表示的分别是闭合光路的面积矢量和旋转速率矢量的标量积，黑点·为标量积符号。

在光纤陀螺寻北仪中，光纤陀螺的敏感轴在水平面内，且与载体纵轴方向一致，通过敏感地球自转角速率在地理坐标系中的水平分量，便可以解算出载体纵轴向与真北的夹角或直接确定北向所在的方位。

地球自转角速度矢量ω_e(ω_e＝15.04°/h)是地球坐标系相对惯性坐标系的转动角速度。在地球上任一点纬度，光纤陀螺的实际输出表达式为：

ω＝kω_ecosφcosH+ω₀ (2)

式(1)中，k为光纤陀螺标度因数，φ为测量地点所在的地球纬度，ω₀为陀螺漂移，H为偏北角，即光纤陀螺敏感轴正向与真北方向的夹角。

在寻北仪设计参数中，寻北时间和寻北精度是很重要的参数，要求寻北仪启动后能够在最短的时间内输出准确的北向方位角。在现有的四位置寻北方案中，需要转位机构带动光纤陀螺，依次在间隔90°的四个位置完成信号采集后，求解北向方位角，转位机构的转位过程需要消耗时间，从而降低了寻北仪的寻北效率；另外，转位机构的转位误差也会引入到寻北结果中，从而降低了寻北结果的准确性。在这种方案中，转位机构的转位过程是制约寻北时间和寻北精度的重要因素。

发明内容

针对四位置寻北方案中转位过程所带来的问题，本发明提供一种四轴光纤陀螺仪及其寻北方法，实现了在间隔90°的四个轴向同时完成信号采集，进而直接解算北向方位角的工作方式，采用本发明的寻北仪不再需要转位机构，可以有效降低寻北时间，提高寻北精度。

为了达到上述目的，本法所采用的技术方案如下：一种四轴光纤陀螺仪，包括光源、1×4光纤耦合器、第一2×2光纤耦合器、第二2×2光纤耦合器、第三2×2光纤耦合器、第四2×2光纤耦合器、第一Y波导调制器、第二Y波导调制器、第三Y波导调制器、第四Y波导调制器、第一光纤环、第二光纤环、第三光纤环、第四光纤环、第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器、第一减法器、第二减法器、信号处理模块；

其中，所述第一光纤环的敏感轴、第二光纤环的敏感轴、第三光纤环的敏感轴、第四光纤环的敏感轴均在XY水平面内且各敏感轴方向朝外呈放射状圆周均匀分布；