技术领域
[0001] 本
发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种温控光纤惯导结构及其设计方法。
背景技术
[0002] 光纤惯性
导航系统是捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System)的一种，与其他惯导系统相比，拥有寿命长，可靠性高，重量轻等优点，同时光纤惯性导航系统的启动时间短，对机械环境的适应性好，因此应用领域很广。
[0003] 虽然光纤惯导系统具有许多明显的优点，但是也有它自身的局限性。事实上，光纤惯导在工程应用中遇到的一个严重问题就是，光纤陀螺对周围环境
温度的变化十分敏感。温度变化将会导致光纤陀螺产生较大的偏置漂移，一般把这种现象称为光纤陀螺的温度漂移。温度漂移严重影响了光纤陀螺的输出
精度，也制约了其在工程上的进一步使用。不少学者基于实验测量、误差拟合的方式实现对光纤陀螺的温度补偿，直接修正其输出精度，取得了很多有价值的成果。但大多数成果补偿精度有限，可移植性差。目前，工程上光纤惯性导航系统设计方案仍没有有效解决光纤陀螺的温度漂移。
[0004] 因此，如何设计一种有效的温控光纤惯导结构，以抑制、减小光纤陀螺的温度漂移，成为亟待解决的问题。
发明内容
[0005] 本发明针对
现有技术存在的问题，提供一种温控光纤惯导结构及其设计方法，解决现有光纤惯性导航系统未有效解决光纤陀螺的温度漂移的问题。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0007] 第一方面，本发明
实施例提供一种温控光纤惯导结构的设计方法，包括：
[0008] S1，建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，获取热阻网络模型中各
节点温度的关系式；其中，温控光纤惯导结构包括壳体，所述壳体内设置有IMU本体组件、导航解算组件和温控组件；所述IMU本体组件包括本体座以及安装在本体座上的三个光纤陀螺、加热组件和加表组件；所述三个光纤陀螺和加表组件分别与导航解算组件连接，温控组件连接加热组件；
[0009] S2，基于所述热阻网络模型及其各节点温度的关系式，分析温控光纤惯导结构的温度特性；
[0010] S3，基于所述温控光纤惯导结构的温度特性，以在光纤陀螺周围构建稳定温度场为目标，设计温控光纤惯导的结构。
[0011] 进一步，步骤S1中，所述建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，获取热阻网络模型中各节点温度的关系式，具体包括：
[0012] S11，将外部环境和温控光纤惯导结构的各个组件均简化为有
质量且无体积的节点，考虑各节点间的热阻，建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型；其中，每一节点对应一个节点温度；
[0013] S12，基于
能量守恒原理，获取热阻网络模型中各节点温度的关系式：
[0014]
[0015] 式中，m1，m2，m3分别表示壳体、IMU本体组件和电器组件的质量；其中，电器组件包括导航解算组件和温控组件；
[0016] cp1，cp2，cp3分别表示壳体、IMU本体组件和电器组件的平均
比热容；
[0017] T0，T1，T2，T3分别表示环境、壳体、IMU本体组件和电器组件的平均温度；
[0018] Rj1表示壳体到环境之间的热阻；Rj2表示IMU本体到壳体之间的热阻；
[0019] Rj3表示电器组件到壳体之间的热阻；
[0020] qheat表示加热组件的加热功率；qh表示加表组件的热功耗；q2表示加热组件的加热功率和加表组件的热功耗之和，即q2＝qheat+qh；q3表示电器组件热功耗。
[0021] 进一步，步骤S2中，所述基于所述热阻网络模型及其各节点温度的关系式，分析温控光纤惯导结构的温度特性，具体包括以下步骤：
[0022] S21，当热阻网络模型各节点达到热平衡时，加热组件停止加热，此时q2＝qh，IMU本体组件的热平衡温度T2|balance
＝Rj1·(qh+q3)+Rj2·qh+T0；在不主动进行温控的状态下，IMU本体组件平均温度T2会逐渐逼近热平衡温度并稳定；当IMU温控点温度大于T2|balance时，T2′|balance-T2|balance＝qheat·(Rj1+Rj2)＞0，温控点温度的稳定仅依靠加热设备就可以实现；由此获得第一温度特性：任意大于热平衡温度T2|balance的温控点温度T2′|balance可以通过正的qheat补偿达到；
[0023] S22，当IMU本体到壳体之间的热阻Rj2足够大时， 此时，即t＝m2cp2(T′2|balance-T0)/q2；由此获得温控光纤惯导结构的第二温度特性：加热到温控点的启动时间与本体座的质量和比
热容成正比，与加热组件加热功率成反比；
[0024] S23，当热阻网络模型各节点达到热平衡时，电器组件也达到热平衡，电器组件的热平衡温度T3|balance＝Rj1·(q2+q3)+Rj3·q3+T0；由此获得温控光纤惯导结构的第三温度特性：电器组件平均温度跟
环境温度、热功耗、热量传递路径上热阻正相关。
[0025] 进一步，步骤S3中，基于所述温控光纤惯导结构的温度特性，以在光纤陀螺周围构建稳定温度场为目标，设计温控光纤惯导的结构，包括：
[0026] 根据第一温度特性，设定IMU本体组件的温控点温度以使IMU本体组件仅通过加热组件即可达到新的
热平衡。
[0027] 进一步，所述步骤S3还包括：
[0028] 根据所述第二温度特性，在左腔室的内表面设置
泡沫隔热材料，以阻隔所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散。
[0029] 进一步，所述步骤S3还包括：
[0030] 根据所述第三温度特性，在导航解算组件与下壳体的
接触面上涂覆高导热材料，以减小导航解算组件与壳体之间的热阻。
[0031] 第二方面，本发明实施例提供一种温控光纤惯导结构，包括壳体，所述壳体包括左腔室和右腔室，所述左腔室内设置有IMU本体组件，所述右腔室内设置有导航解算组件和温控组件；
[0032] 所述IMU本体组件包括本体座以及安装在本体座上的三个光纤陀螺、加热组件和加表组件，所述光纤陀螺用于获取敏感载体的
角运动信息，加表组件用于获取敏感载体的线运动信息；所述导航解算组件分别连接三个光纤陀螺和加表组件，用于处理所述角运动信息和线运动信息，以获得惯导所在载体
坐标系的
位置和
姿态；所述温控组件与加热组件连接，用于将IMU本体组件的
温度控制在设定的温控点；
[0033] 所述左腔室的内表面设置有泡沫隔热材料，用于阻隔所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散。
[0034] 进一步，所述导航解算组件通过螺钉固定于壳体的右腔室，导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆有高导热材料。
[0035] 进一步，所述加热组件通过螺钉固定安装于所述本体座的表面，且与本体座表面接触；所述加热组件是由第一磁屏蔽板、加热片和第二磁屏蔽板构成的夹层结构，两个磁屏蔽板所产生的缝隙通过激光封焊工艺填充。
[0036] 进一步，三个光纤陀螺分别通过螺钉固定于本体座三个相互
正交的安装面上，且光纤陀螺位于所述加热组件的上侧，所述光纤陀螺与加热组件的间距大于1mm。
[0037] 本发明实施例提供的温控光纤惯导结构及其设计方法，通过建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，分析温控光纤惯导结构的温度特性，根据温控光纤惯导结构的温度特性，以在光纤陀螺周围构建稳定温度场为目标，设计温控光纤惯导的结构。通过该方法设计的温控光纤惯导结构，能够使光纤陀螺工作于一个相对稳定温度场内，提高了光纤陀螺输出的
稳定性，从源头抑制光纤陀螺的温度漂移。
附图说明
[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039] 图1为本发明实施例提供一种温控光纤惯导结构的设计方法
流程图；
[0040] 图2为本发明实施例提供的温控光纤惯导结构示意图；
[0041] 图3为本发明实施例提供的IMU本体组件的结构示意图；
[0042] 图4为本发明实施例提供的光纤惯导结构的热阻网络模型；
[0043] 图5为本发明实施例提供的左右分腔的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045] 光纤惯性导航系统的光纤陀螺对周围环境温度的变化十分敏感。温度变化将会导致光纤陀螺产生较大的偏置漂移。针对光纤陀螺的温度漂移，现有技术通过实验测量、误差拟合的方式对光纤陀螺进行温度补偿，直接修正其输出精度。然而这种方式获得的补偿精度有限，可移植性差。
[0046] 针对现有技术的上述问题，本发明实施例提供了一种温控光纤惯导结构的设计方法，图1为本发明实施例提供一种温控光纤惯导结构的设计方法流程图，参照图1，该方法包括：
[0047] S1，建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，获取热阻网络模型中各节点温度的关系式。
[0048] 图2为本发明实施例提供的温控光纤惯导结构示意图；图3为本发明实施例提供的IMU本体组件的结构示意图；参照图2和图3，温控光纤惯导结构包括壳体，所述壳体内设置有IMU本体组件、导航解算组件和温控组件；所述IMU本体组件包括本体座以及安装在本体座上的三个光纤陀螺、加热组件和加表组件；所述三个光纤陀螺和加表组件分别与导航解算组件连接，温控组件连接加热组件。
[0049] 具体地，S1可以具体包括以下步骤：
[0050] S11，将外部环境和温控光纤惯导结构的各个组件均简化为有质量且无体积的节点，考虑各节点间的热阻，建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，图4为本发明实施例提供的光纤惯导结构的热阻网络模型。其中，每一节点对应一个节点温度。
[0051] S12，基于能量守恒原理，获取热阻网络模型中各节点温度的关系式：
[0052]
[0053] 式中，m1，m2，m3分别表示壳体、IMU本体组件和电器组件的质量；其中，电器组件包括导航解算组件和温控组件；
[0054] cp1，cp2，cp3分别表示壳体、IMU本体组件和电器组件的平均比热容；
[0055] T0，T1，T2，T3分别表示环境、壳体、IMU本体组件和电器组件的平均温度；
[0056] Rj1表示壳体到环境之间的热阻；Rj2表示IMU本体到壳体之间的热阻；
[0057] Rj3表示电器组件到壳体之间的热阻；
[0058] qheat表示加热组件的加热功率；qh表示加表组件的热功耗；q2表示加热组件的加热功率和加表组件的热功耗之和，即q2＝qheat+qh；q3表示电器组件热功耗。
[0059] S2，基于所述热阻网络模型及其各节点温度的关系式，分析温控光纤惯导结构的温度特性。
[0060] 具体地，根据热阻网络模型及其各节点温度的关系式进行分析，能够获得温控光纤惯导结构的以下三个温度特性。
[0061] S2可以具体包括以下步骤：
[0062] S21，根据热阻网络模型及其各节点温度的关系式进行分析，当热阻网络模型各节点达到热平衡时，加热组件停止加热，此时q2＝qh，IMU本体组件的热平衡温度T2|balance＝Rj1·(qh+q3)+Rj2·
qh+T0；在不主动进行温控的状态下，IMU本体组件平均温度T2会逐渐逼近热平衡温度并稳定；当IMU温控点温度大于T2|balance时，T2′|balance-T2|balance＝qheat·(Rj1+Rj2)＞0，温控点温度的稳定仅依靠加热设备就可以实现；由此获得第一温度特性：任意大于热平衡温度T2|balance的温控点温度T2′|balance可以通过正的热量qheat补偿达到；
[0063] S22，当IMU本体到壳体之间的热阻Rj2足够大时， 此时，即t＝m2cp2(T′2|balance-T0)/q2；由此获得温控光纤惯导结构的第二温度特性：加热到温控点的启动时间与本体座的质量和比热容成正比，与加热组件加热功率成反比；
[0064] S23，当热阻网络模型各节点达到热平衡时，电器组件的热平衡温度T3|balance＝Rj1·(q2+q3)+Rj3·q3+T0；由此获得温控光纤惯导结构的第三温度特性：电器组件平均温度跟环境温度、热功耗、热量传递路径上热阻正相关。
[0065] S3，基于所述温控光纤惯导结构的温度特性，以在光纤陀螺周围构建稳定温度场为目标，设计温控光纤惯导的结构。
[0066] 具体地，根据第一温度特性，设定IMU本体组件的温控点温度T2′|balance＞Rj1·(qh+q3)+Rj2·qh+T0，以使IMU本体组件仅通过加热组件即可达到新的热平衡，维持温控点的稳定。
[0067] 进一步地，为给光纤陀螺和加表组件提供一个温度稳定的环境，本实施例对温控光纤惯导结构采取分腔设计，将IMU本体组件设置于一个单独的左腔室内，将电器组件设置在右腔室内。此处，电器组件包括导航解算组件和温控组件。本实施例通过分腔设计，使得系统工作时，能够将电器组件产生的热量对光纤陀螺和加表组件的影响降至最低。
[0068] 根据所述第二温度特性，为缩短IMU本体组件加热到温控点的启动时间，本实施例在左腔室的内表面设置泡沫隔热材料，以降低IMU本体组件的热量向壳体的扩散，提高IMU的温度响应特性。进而使得光纤陀螺周围温度更加稳定，减小光纤陀螺的温度漂移。进一步地，根据第二温度特性得知，加热到温控点的启动时间与本体座的质量和比热容成正比。本实施例通过设计结构减重来缩短IMU本体组件达到温控点的时间。参照图2，在IMU本体组件的本体座体积一定的情况下，设计本体座采用带有连筋的镂空结构，降低本体座的质量。通过设置连筋结构，提高本体座的结构刚性，降低
震源对光纤陀螺精度的干扰。
[0069] 进一步地，根据第三温度特性，为降低电器组件的平均温度，本实施例在导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆高导热材料，以减小导航解算组件与壳体之间的热阻。达到增强导航解算组件与壳体之间的热扩散的效果，从而有效减小电器组件与环境之间的温差，防止发热电器组件和温控组件因温度过高而失效。
[0070] 本发明通过以上步骤S1～S3，能够保证光纤陀螺工作于一个相对稳定温度场内，从而提高了光纤陀螺输出的稳定性，从源头抑制光纤陀螺的温度漂移。
[0071] 本发明实施例提供的温控光纤惯导结构的设计方法，通过建立温控光纤惯导结构的热阻网络模型，分析温控光纤惯导结构的温度特性，根据温控光纤惯导结构的温度特性，以在光纤陀螺周围构建稳定温度场为目标，设计温控光纤惯导的结构。通过该方法设计的温控光纤惯导结构，能够使光纤陀螺工作于一个相对稳定温度场内，提高了光纤陀螺输出的稳定性，从源头抑制光纤陀螺的温度漂移。
[0072] 本发明基于温控光纤惯导结构的温度特性，在IMU本体组件四周的左腔室内表面设置泡沫隔热材料，能够降低所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散，以使光纤陀螺周围温度更加稳定，减小光纤陀螺的温度漂移。在导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆高导热材料，能够减小导航解算组件与壳体之间的热阻，增强导航解算组件与壳体之间的热扩散，从而有效减小电器组件与环境之间的温差，防止发热电器组件和温控组件因温度过高而失效。
[0073] 基于上述实施例的内容，本发明实施例提供一种基于上述温控光纤惯导结构设计方法设计的温控光纤惯导结构。图2为本发明实施例提供的温控光纤惯导结构示意图，图3为本发明实施例提供的IMU本体组件的结构示意图。其中，温控光纤惯导结构是指温控光纤惯性导航系统的结构。为描述简洁，本发明实施例的以下描述中，将“温控光纤惯性导航系统”简称为“系统”。
[0074] 如图2和图3所示，本发明实施例提供一种温控光纤惯导结构，包括壳体，所述壳体包括左腔室和右腔室，所述左腔室内设置有IMU本体组件，所述右腔室内设置有导航解算组件和温控组件；其中，壳体包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过螺钉固定连接。
[0075] 所述IMU本体组件包括本体座以及安装在本体座上的三个光纤陀螺、加热组件和加表组件，三个光纤陀螺分别通过螺钉固定于本体座三个相互正交的安装面上，用于获取敏感载体的角运动信息，加表组件用于获取敏感载体的线运动信息；所述导航解算组件分别连接三个光纤陀螺和加表组件，用于处理所述角运动信息和线运动信息，以获得惯导所在载体坐标系的位置和姿态；所述温控组件与加热组件连接，用于将IMU本体组件的温度控制在设定的温控点；
[0076] 所述左腔室的内表面设置有泡沫隔热材料，用于阻隔所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散。
[0077] 具体地，图5为本发明实施例提供的左右分腔的结构示意图，参照图1和图5，为给光纤陀螺和加表组件提供一个温度稳定的环境，本实施例对温控光纤惯导结构采取分腔设计，将IMU本体组件设置于一个单独的左腔室内，将电器组件设置在右腔室内。此处，电器组件包括导航解算组件和温控组件。本实施例通过分腔设计，使得系统工作时，能够将电器组件产生的热量对光纤陀螺和加表组件的影响降至最低。
[0078] 进一步地，参照图3，IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及
加速度的装置。本实施例中，IMU本体组件由三个光纤陀螺、三个加热组件和加表组件装配而成。系统工作时，光纤陀螺获取敏感载体的角运动信息，加表组件获取敏感载体的线运动信息，加热组件将IMU本体组件加热至设定的温控点，温控组件与加热组件连接，将IMU本体组件的温度控制在设定的温控点。导航解算组件处理所述角运动信息和线运动信息，以获得系统所在载体坐标系的位置和姿态。
[0079] 进一步地，参照图2，IMU本体组件四周的左腔室内表面设有泡沫隔热材料。此处，泡沫隔热材料可为低导热率、低
密度发泡
橡胶材料，通过结构胶固定于左腔室四周。能够降低所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散，以使光纤陀螺周围温度更加稳定，减小光纤陀螺的温度漂移。
[0080] 本发明实施例提供的温控光纤惯导结构，通过在IMU本体组件四周的左腔室内表面设置泡沫隔热材料，能够降低所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散，以使光纤陀螺周围温度更加稳定，减小光纤陀螺的温度漂移。本发明实施例提供的温控光纤惯导结构，能够保证光纤陀螺工作于一个相对稳定温度场内，提高了光纤陀螺输出的稳定性，从源头抑制光纤陀螺的温度漂移。
[0081] 基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述导航解算组件通过螺钉固定于壳体的右腔室，导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆有高导热材料。
[0082] 本实施例在导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆有高导热材料，能够减小导航解算组件与壳体之间的热阻，增强导航解算组件与壳体之间的热扩散，从而有效减小电器组件与环境之间的温差，防止发热电器组件和温控组件因温度过高而失效。
[0083] 基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述加热组件通过螺钉固定安装于所述本体座的表面，且与本体座表面接触；所述加热组件是由第一磁屏蔽板、加热片和第二磁屏蔽板构成的夹层结构，两个磁屏蔽板所产生的缝隙通过激光封焊工艺填充。
[0084] 本实施例中，加热组件采用“第一磁屏蔽板-加热片-第二磁屏蔽板”的夹层结构，能够减弱加热片产生的电
磁场对光纤陀螺和加表组件的干扰。
[0085] 进一步地，参照图3，三个光纤陀螺分别通过螺钉固定于本体座三个相互正交的安装面上，且光纤陀螺位于所述加热组件的上侧，所述光纤陀螺与加热组件的间距大于1mm。
[0086] 基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，图3中IMU本体组件的本体座采用带有连筋的镂空结构，在满足结构刚性要求的前提下，减轻结构重量。
[0087] 通过以上各实施例的技术方案可知，本发明提供的温控光纤惯导结构与现有技术相比具有以下优势：
[0088] 1)本发明通过在IMU本体组件四周的左腔室内表面设置泡沫隔热材料，能够降低所述IMU本体组件的热量向壳体的扩散，以使光纤陀螺周围温度更加稳定，减小光纤陀螺的温度漂移。
[0089] 2)本发明在导航解算组件与下壳体的接触面上涂覆高导热材料，能够减小导航解算组件与壳体之间的热阻，增强导航解算组件与壳体之间的热扩散，从而有效减小电器组件与环境之间的温差，防止发热电器组件和温控组件因温度过高而失效。
[0090] 3)本发明实施例提供的温控光纤惯导结构，能够保证光纤陀螺工作于一个相对稳定温度场内，提高了光纤陀螺输出的稳定性，从源头抑制光纤陀螺的温度漂移。
[0091] 4)本发明提供的温控光纤惯导结构简单有效，易于生产、安装和维修。
[0092] 需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
[0093] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
