CN100368774C - 光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法，采用温度标定系统进行温度模型测试；对光纤陀螺和石英加速度计输出中确定性部分采用平均选点法进行建模，有效地减小温度引起零偏变化；对光纤陀螺高低温下噪声进行小波变换处理，根据不同的小波基滤波效果，采取了适合工程应用的滤波方法，使光纤陀螺的零偏稳定性优于0.5°/h，加速度计补偿后零偏误差小于10^-4g，有效地降低了光纤陀螺惯性测量装置的零位温度漂移和噪声，提高了系统的性能。

Description

光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法。

背景技术

传统的机电式惯性测量装置(以下简称IMU)通电后马达需要十余秒的同步时间，还需要温控来保证精度，很难实现快速启动。光纤陀螺IMU在-40℃～65℃温度范围内可以瞬时启动，但零偏存在较大的漂移，噪声也较大，国外文献未见相关的测试和补偿方法的报道，这在一定程度上限制了光纤陀螺的应用。同时，和机电式陀螺相比，光纤陀螺输出噪声较大。随机游走系数RWC是表征光纤陀螺中白噪声大小的一项技术指标，在系统中引入随工作时间t的平方根增长的航向角误差 ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\mathrm{RWC}\·\sqrt{t},$ 航向角的这种不确定性削弱了惯性测量系统的性能，因此，需设法降低光纤陀螺随机游走系数。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤陀螺惯性测量装置快速启动和精度保证的工程实现方法，采用该方法可以有效地降低光纤陀螺惯性测量系统的零位温度漂移和噪声，提高其快速反应能力。

本发明的技术解决方案：一种光纤陀螺惯性测量装置快速启动和精度保证的工程实现方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)在温度范围-40～+65℃内，通过温度标定系统得到各个温度点下的光纤陀螺和加速度计随温度变化的输出数据；

(2)对步骤(1)中得出的随温度变化的各输出数据进行剔野值、加权处理后，采用平均选点法求出K_fT0、K_fT、K_aT0、K_aT1、K_aT2，其中K_fT0为光纤陀螺零偏补偿的零次项系数，K_fT1为光纤陀螺零偏补偿的一次项系数，K_aT0为加速度计零偏补偿的零次项系数，K_aT1为加速度计零偏补偿的一次项系数，K_aT2为加速度计零偏补偿的二次项系数，建立零偏温度补偿模型，其中光纤陀螺的零偏为温度的一次函数

K_f0(T)＝K_fT0+K_fT1T                             (1)

石英加速度计零偏温度模型为温度的二次函数

K_a0(T)＝K_aT0+K_aT1T+K_aT2T²                      (2)

(3)将上述求出的各补偿系数K_fT0、K_fT1、K_aT0、K_aT1、K_aT2，写入计算机系统，当惯测装置IMU工作时，根据温度传感器输出温度T₀，计算对应的补偿量K_f0(T₀)、K_a0(T₀)，从输出中扣除；

(4)进行上述零偏补偿后，再采用小波变换滤波，对光纤陀螺的补偿残差进行滤波后输出，以减小噪声。

本发明和现有技术相比的优点在于：本发明对光纤陀螺和石英加速度计输出中确定性部分采用加权平均选点法进行建模，有效地减小温度引起零偏变化，加权的平均选点法具有较高的工程应用价值，它方法简单，测试量小，尤其对自变量--温度的测量精度要求不高，建立的温度模型具有比最小二乘法更高的稳定性，而且可以通过不同的选点方式，降低重要温度区间的拟合残差；对光纤陀螺高低温下噪声进行小波变换处理，根据不同的小波基滤波效果，采取了适合工程应用的滤波方法，使光纤陀螺的零偏稳定性优于0.5°/h，加速度计补偿后零偏误差小于10^-4g，有效地降低了光纤陀螺惯性测量装置的零位温度漂移和噪声，提高了系统的性能，降低了对光纤陀螺精度的要求，在一定程度上缓解了精度和成本的矛盾。

附图说明

图1为本发明温度标定系数的构成示意图；

图2为光纤陀螺未加零偏补偿时的输出结果；

图3为光纤陀螺采用本发明的方法补偿的输出结果；

图4为加速度计未加零偏补偿时的输出结果；

图5为加速度计采用本发明的方法补偿后的输出结果；

图6为本发明的光纤陀螺采用Db4小波滤波前的效果；

图7为本发明的光纤陀螺采用Db4小波滤波后的效果。

具体实施方式

如图1所示，本发明的标定测试设备由高精度温度控制设备TD-500和单轴精密回转台3TS-320B组成，在回转台试验件安装机构部分罩上温控设备TD-500，对被测件进行温度控制。因为回转台安装在隔振基座上，温控设备工作震动和人员走动不会影响到IMU，保证测试数据的可靠性。

IMU安装在回转台安装面，被测试的角速率输入轴水平。回转台工作在速率模式，可以对陀螺进行速率标定，位置模式设定回转台以数字式光栅分度头方式工作，对加速度计进行±1g范围内的线性度测试。在设定的温度点标定IMU，得到仪表的零偏。

采用上述的温度标定系统，在全温度范围-40～+65℃内，选取8个温度点-40，-20，-10，0，10，20，40，65℃，即T₁～T₈，在每个温度点上充分保温后测试3分钟，将输出数据剔除野点后加权，权值分别取α₁～α_j，满足

$\underset{1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1---\left(3\right)$

且α₁＜α₂＜...＜α_j，即在各个温度点下给予靠后的数据较大的权重。

平均选点法的基本思想是：将全部试验点分成两组，前半部n₁个试验点的点系中心的坐标为：

$\stackrel{\‾}{X_1}=\frac{1}{n_1}\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i$

$\stackrel{\‾}{Y_1}=\frac{1}{n_1}\underset{i=1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i---\left(4\right)$

后半部n₂个试验点的点系中心的坐标为：

$\stackrel{\‾}{X_2}=\frac{1}{n_2}\underset{i=n_1+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i$

$\stackrel{\‾}{Y_2}=\frac{1}{n_2}\underset{i=n_1+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i---\left(5\right)$

通过这两个点系中心

的直线，即回归直线的斜率为

$\hat{b}=\frac{\stackrel{\‾}{Y_2}-\stackrel{\‾}{Y_1}}{\stackrel{\‾}{X_2}-\stackrel{\‾}{X_1}}---\left(6\right)$

它在Y轴上的截距

$\hat{a}=\stackrel{\‾}{Y_1}-\hat{b}\stackrel{\‾}{X_1}---\left(7\right)$

回归直线方程为：

$Y=\hat{a}+\hat{b}x---\left(8\right)$

即是本发明中的公式(1)中的光纤陀螺的补偿模型。

对于公式(2)的加速计计的多项式，平均选点法的处理方法为：

$y=a_0+a_{1}x+a_2{x}^2=\underset{j=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{x}^j---\left(9\right)$

对于试验数据中的任意一点(x₀，y₀)有：

y₀＝a₀+a₁x₀+a₂x₀ ²                               (10)

y-y₀＝[a₁+a₂(x+x₀)](x-x₀)

$\frac{y-y_0}{x-x_0}=a_1+a_2{x}_0+a_{2}x---\left(11\right)$

令 $\frac{y-y_0}{x-x_0}=z,$ a₁+a₂x₀＝b，则上式变为直线方程

z＝b+a₂x                                        (12)

利用平均选点法求出这直线方程的系数b和a₂，进而可以求出a₀和a₁，即可确定加速度计的补偿模型。

本发明中温度测试数据经过剔野值、加权处理后，采用平均选点法求出K_fT0、K_fT1、K_aT0、K_aT1、K_aT2，建立式(1)和(2)的补偿模型，如图2、4所示，同时将上述各系数写入计算机系统。当IMU工作时，根据温度传感器输出温度T₀，计算对应的补偿量K_f0(T₀)、K_a0(T₀)，从输出中扣除，如图3、5所示，通过将图2和图3、图4和图5进行对比可以看出，光纤陀螺和加速度计的补偿前后效果完全不同，经过本发明的零位补偿，消除了光纤陀螺和加速度的零偏。

进行上述零偏补偿后，再采用小波变换滤波法，对光纤陀螺的补偿残差进行滤波后输出，以消除噪声。小波具有对信号良好的局部时频刻划性能，在去除大部分噪声的同时，保留信号的瞬态特征。根据滤波效果，选择消失矩为2的Db4小波对补偿残差滤波，降低光纤陀螺的噪声。所采用的尺度函数为

小波函数为

构成的一个基于Mallat算法的滤波器，其滤波器系数满足

h₀＝0.683，h₁＝1.183，h₂＝0.317，h₃＝-0.183

利用上述滤波器，大大降低了光纤陀螺输出白噪声，滤波效果如图7所示，比滤波前如图6的效果明显。

以上是光纤陀螺和加速度计一个方向如X方向上的补偿和滤波，其它方向如Y方向和Z方向的补偿和滤波与此相同。

本发明在大量测试试验的基础上，采用温度建模的方法补偿温度引起的光纤陀螺和石英加速度计零偏变化，消除IMU零偏对温度的灵敏性，提高了系统的使用精度。同时，采用小波滤波的方法，降低光纤陀螺的噪声，保证了光纤陀螺IMU在-40℃～65℃范围内快速启动和工作精度。

Claims (2)

1.一种光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)在温度范围-40～+65℃内，通过温度标定系统得到各个温度点下的光纤陀螺和加速度计随温度变化的输出数据；

(2)对步骤(1)中得出的随温度变化的各输出数据进行剔野值、加权处理后，采用平均选点法求出K_fT0、K_fT1、K_aT0、K_aT1、K_aT2，其中K_fT0为光纤陀螺零偏补偿的零次项系数，K_fT1为光纤陀螺零偏补偿的一次项系数，K_aT0为加速度计零偏补偿的零次项系数，K_aT1为加速度计零偏补偿的一次项系数，K_aT2为加速度计零偏补偿的二次项系数，建立零偏温度补偿模型，其中光纤陀螺的零偏为温度的一次函数

K_f0(T)＝K_fT0+K_fT1T                        (1)

石英加速度计零偏温度模型为温度的二次函数

K_a0(T)＝K_aT0+K_aT1T+K_aT2T²                 (2)

(3)将上述求出的各补偿系数K_fT0、K_fT1、K_aT0、K_aT1、K_aT2，写入计算机系统，当惯测装置工作时，根据温度传感器输出温度T₀，计算对应的补偿量K_f0(T₀)、K_a0(T₀)，从输出中扣除；

(4)进行上述零偏补偿后，再采用小波变换滤波法，对光纤陀螺的补偿残差进行滤波后输出，以减小噪声。

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺惯测装置快速启动和精度保证的工程实现方法，其特征在于：所述步骤(4)中的小波变换采用消失矩为2的Db4小波。

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