CN101639364A - 船用高精度光纤陀螺组件标定方法 - Google Patents

Abstract

一种船用高精度光纤陀螺组件标定方法。(1)将捷联惯性组件安装在高精度三轴惯导测试转台上，陀螺组件的X、Y、Z轴与高精度三轴惯导测试转的内、中、外框平行，预热陀螺组件；(2)按照六位置标定方案在工控机上编定三轴惯导测试转台程序，工控机调用转台程序实现对转台的控制，数据计算机采集陀螺组件的输出；(3)按照六位置标定原理对陀螺的原始输出用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数，完成对陀螺组件的标定。本发明的方法具有如下优点：沿用原有的标定设备，没有增加任何的成本，所设计的标定方案操作简单，标定精度高，将传统的标定结果和六位置标定结果分别应用在四位置旋转监控试验中，新的标定方法15h的导航精度提高62.55％。

Description

船用高精度光纤陀螺组件标定方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，特别是涉及一种船用高精度光纤陀螺捷联惯导系统光纤陀螺组件的标定技术。

(二)背景技术

标定技术是一种从软件方面提高惯导实际使用精度的方法。标定技术本质上是一种误差补偿技术。所谓误差补偿技术就是建立惯性元件和惯导系统的误差数学模型，通过一定的试验来确定模型系数，进而通过软件算法来消除误差。惯性元件和惯导系统在出厂之前，必须通过标定来确定基本的误差数学模型参数，以保证元件和系统的正常工作。而且惯性元件高阶误差项的研究、惯导系统恶劣动态环境下的误差补偿都是在标定的基础上进行的，可以说标定工作是整个误差补偿技术的基础。

国内光纤陀螺器件的研制还不够成熟，性能指标都还不能达到船用高精度导航系统的要求。标定的目的就是建立惯性器件组件和载体坐标系之间的关系，以便根据惯性器件的输出得到正确的载体姿态。常用的陀螺组件标定方法是通过速率试验激励出陀螺的标度因数和安装误差角，通过零位试验激励出陀螺的零位。国内现有高精度三轴惯导测试转台的技术指标达不到船用高精度性能指标对其速率的要求。因此，从现有设备入手，设计出适用于船用高精度光纤陀螺组件性能指标要求的标定方法，是一项亟待解决的技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够精确激励出船用高精度光纤陀螺组件各项误差参数的船用高精度光纤陀螺组件标定方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)将捷联惯性组件安装在高精度三轴惯导测试转台上，预热陀螺组件；

(2)根据三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型，设计六位置标定方案标定高精度光纤陀螺组件，按照本发明所设计的标定方案编定三轴惯导测试转台程序，在工控机上设定转台控制程序，将转台分别定位在(0°，0°，0°)、(180°，180°，0°)、(180°，0°，0°)、(180°，0°，270°)、(180°，0°，90°)、(0°，0°，90°)六个位置，调用工控机转台程序实现对转台的控制，数据采集计算机采集三轴陀螺组件的输出；

(3)对陀螺的输出按照六位置标定原理用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数，完成对陀螺组件的标定。

本发明还可以包括如下特征：

1、三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型为：

$\left.\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{gx}}=A_0+A_1{\mathrm{\ω}}_x+A_2{\mathrm{\ω}}_y+A_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gy}}=B_0+B_1{\mathrm{\ω}}_x+B_2{\mathrm{\ω}}_y+B_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gz}}=C_0+C_1{\mathrm{\ω}}_x+C_2{\mathrm{\ω}}_y+C_3{\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right\}$

其中，N_gx、N_gy、N_gz分别为X、Y、Z三个轴光纤陀螺的输出；A₀、B₀、C₀分别为三个轴光纤陀螺的零位误差；A₁、B₁、C₁分别为三个轴光纤陀螺的标度因数；A₂、A₃、B₂、B₃、C₂、C₃分别为三个轴光纤陀螺的安装误差；

所述工控机上设定转台控制程序，数据采集计算机采集陀螺组件输出的方法为：

1)输入转台角速率：

其中ω_ie为地球自转角速率，

为当地地理纬度。工控机设定定位程序，定位(0°，0°，0°)，定位时间10分钟；

2)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，180°，0°)，定位时间10分钟；

3)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，0°)，定位时间10分钟；

4)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，270°)，定位时间10分钟；

5)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，90°)，定位时间10分钟；

6)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(0°，0°，90°)，定位时间10分钟

工控机程序设定完毕，保存工控机程序(下次运行时可以直接调用已保存程序)，调用数据计算机采集程序，运行工控机程序，工控机实现对转台的控制，转台按照工控机设定程序内框、中框、外框分别定位在位置1-东北天方向、位置2-西南天方向、位置3-西北地方向、位置4-北东地方向、位置5-南西地方向、位置6-北西天方向各10分钟，数据采集计算机采集陀螺组件在这六个位置的输出；

2、所述对数据采集计算机采集陀螺组件的原始输出用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数的方法为：

1)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(2)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₂、B₂、C₂；

2)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(3)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₃、B₃、C₃；

3)将位置(4)的三轴陀螺输出减位置(5)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₁、B₁、C₁；

4)将位置(2)的y、z轴陀螺输出加位置(3)的y、z轴陀螺输出：

N_gy2+N_gy3＝2B₀

N_gz2+N_gz3＝2C₀

由此得到y、z轴的的陀螺零位B₀、C₀；

5)将位置(5)的x轴陀螺输出加位置(6)的x轴陀螺输出：

N_gx5+N_gx6＝2A₀

由此得到x轴的陀螺零位A₀。

转台的各项技术指标如表1所示：

表1三轴惯导测试转台主要技术指标

通过对以上几个位置三轴陀螺组件输出数据处理，可以精确激励出陀螺组件的12个误差参数，至此三轴陀螺组件的标定工作完成。

本发明的方法具有如下优点：沿用原有的标定设备，没有增加任何的任何根本，所设计的标定方案操作简单，标定精度高，标定出的误差参数用于后续的导航，比传统的标定方案精度提高30％。

对本发明的有益效果说明如下：

用同一高精度三轴惯导测试转台对同一三轴陀螺组件用不同的标定方案进行标定，并将标定出的三轴陀螺组件误差参数用于同一组导航数据的matlab仿真，标定结果如表2所示。将两组标定结果用于导航，传统的标定方法应用在四位置旋转监控试验中，定位误差是：4.38nm/15h，；此六位置标定方法应用在四位置旋转监控试验中，定位误差是：1.64nm/15h，此陀螺组件标定方法比传统的陀螺组件标定方法定位精度提高66.25％。

表2标定结果比较

参数	A0	A1	A2	A3
					传统方法	-1.270928324	-103.390302768	0.000832143	-0.000762333
此方法	-1.199393437	-103.342459044	0.001206788	-0.001843915
					参数	B0	B1	B2	B3
传统方法	-0.388833014	0.046496160；	-104.912470067	-0.090080338
					此方法	-0.436073496	0.018002517	-104.869561320	-0.083795604
参数	C0	C1	C2	C3
					传统方法	2.141468139	0.045016360	0.023397975；	-104.844833652
此方法	2.626223224	0.002671956	0.012607943	-104.809927987

(四)附图说明

图1为陀螺组件标定流程图；

图2为位置1三轴转台方位；

图3为位置2三轴转台方位；

图4为位置3三轴转台方位；

图5为位置4三轴转台方位；

图6为位置5三轴转台方位；

图7为位置6三轴转台方位；

图8为传统标定方案导航误差；

图9为此标定方案的导航误差。

(五)具体实施方式

下面举例对本发明做更详细地描述：

(1)将捷联惯性组件安装在高精度三轴惯导测试转台上，预热陀螺组件；

(2)按照标定方案编定三轴惯导测试转台程序并调用转台程序实现对转台的控制，采集三轴陀螺组件的输出；

1)输入转台角速率：

其中ω_ie为地球自转角速率，为当地地理纬度。工控机设定定位程序，定位(0°，0°，0°)，定位时间10分钟；

2)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，180°，0°)，定位时间10分钟；

3)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，0°)，定位时间10分钟；

4)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，270°)，定位时间10分钟；

5)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，90°)，定位时间10分钟；

6)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(0°，0°，90°)，定位时间10分钟；

工控机程序设定完毕，保存工控机程序(下次运行时可以直接调用已保存程序)，调用数据计算机采集程序，运行工控机程序，工控机实现对转台的控制，转台按照工控机设定程序内框、中框、外框分别定位在位置1-东北天方向、位置2-西南天方向、位置3-西北地方向、位置4-北东地方向、位置5-南西地方向、位置6-北西天方向各10分钟，数据采集计算机采集陀螺组件在这六个位置的输出；

(3)根据三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型和六位置标定方案原理，对陀螺的原始输出用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数，完成对陀螺组件的标定。

三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型：

$\left.\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{gx}}=A_0+A_1{\mathrm{\ω}}_x+A_2{\mathrm{\ω}}_y+A_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gy}}=B_0+B_1{\mathrm{\ω}}_x+B_2{\mathrm{\ω}}_y+B_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gz}}=C_0+C_1{\mathrm{\ω}}_x+C_2{\mathrm{\ω}}_y+C_3{\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right\}---\left(7\right)$

其中，N_gx、N_gy、N_gz分别为X、Y、Z三个轴光纤陀螺的输出；

A₀、B₀、C₀分别为三个轴光纤陀螺的零位误差；

A₁、B₁、C₁分别为三个轴光纤陀螺的标度因数；

A₂、A₃、B₂、B₃、C₂、C₃分别为三个轴光纤陀螺的安装误差。

1)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(2)的三轴陀螺输出得：

这样可以计算出安装误差A₂、B₂、C₂：

2)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(3)的三轴陀螺输出：

计算出安装误差A₃、B₃、C₃：

3)将位置(4)的三轴陀螺输出减位置(5)的三轴陀螺输出：

计算出安装误差A₁、B₁、C₁：

4)将位置(2)的y、z轴陀螺输出加位置(3)的y、z轴陀螺输出：

N_gy2+N_gy3＝2B₀

                                    (15)

N_gz2+N_gz3＝2C₀

计算出y、z轴的的陀螺零位B₀、C₀：

B₀＝(N_gy2+N_gy3)/2

                                    (16)

C₀＝(N_gz2+N_gz3)/2

5)将位置(5)的x轴陀螺输出加位置(6)的x轴陀螺输出：

    N_gx5+N_gx6＝2A₀                (17)

计算出x轴的陀螺零位A₀：

A₀＝(N_gx5+N_gx6)/2                 (18)

至此，陀螺的12个误差参数全部标出，标定工作完成。

Claims (3)

1、一种船用高精度光纤陀螺组件标定方法，其特征是：

(1)将捷联惯性组件安装在高精度三轴惯导测试转台上，陀螺组件的X、Y、Z轴与高精度三轴惯导测试转的内、中、外框平行，预热陀螺组件；

(2)根据三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型，设计六位置标定方案标定高精度光纤陀螺组件，按照标定方案编定三轴惯导测试转台程序，在工控机上设定转台控制程序，将转台分别定位在(0°，0°，0°)、(180°，180°，0°)、(180°，0°，0°)、(180°，0°，270°)、(180°，0°，90°)、(0°，0°，90°)六个位置，调用工控机转台程序实现对转台的控制，数据采集计算机采集三轴陀螺组件的输出；

(3)对陀螺的输出按照六位置标定原理用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数，完成对陀螺组件的标定。

2、根据权利要求1所述的船用高精度光纤陀螺组件标定方法，其特征是：

三轴光纤陀螺组件静态误差数学模型为：

$\left.\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{gx}}=A_0+A_1{\mathrm{\ω}}_x+A_2{\mathrm{\ω}}_y+A_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gy}}=B_0+B_1{\mathrm{\ω}}_x+B_2{\mathrm{\ω}}_y+B_3{\mathrm{\ω}}_z\\ N_{\mathrm{gz}}=C_0+C_1{\mathrm{\ω}}_x+C_2{\mathrm{\ω}}_y+C_3{\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right\}$

其中，N_gx、N_gy、N_gz分别为X、Y、Z三个轴光纤陀螺的输出；A₀、B₀、C₀分别为三个轴光纤陀螺的零位误差；A₁、B₁、C₁分别为三个轴光纤陀螺的标度因数；A₂、A₃、B₂、B₃、C₂、C₃分别为三个轴光纤陀螺的安装误差；

所述工控机上设定转台控制程序，数据采集计算机采集陀螺组件输出的方法为：

1)输入转台角速率：

其中ω_ie为地球自转角速率，为当地地理纬度。工控机设定定位程序，定位(0°，0°，0°)，定位时间10分钟；

2)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，180°，0°)，定位时间10分钟：

3)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，0°)，定位时间10分钟；

4)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，270°)，定位时间10分钟；

5)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(180°，0°，90°)，定位时间10分钟；

6)输入转台角速率：

工控机设定定位程序，定位(0°，0°，90°)，定位时间10分钟

工控机程序设定完毕，保存工控机程序，调用数据计算机采集程序，运行工控机程序，工控机实现对转台的控制，转台按照工控机设定程序内框、中框、外框分别定位在位置1-东北天方向、位置2-西南天方向、位置3-西北地方向、位置4-北东地方向、位置5-南西地方向、位置6-北西天方向各10分钟，数据采集计算机采集陀螺组件在这六个位置的输出。

3、根据权利要求2所述的船用高精度光纤陀螺组件标定方法，其特征是：所述对陀螺的原始输出用matlab进行数据处理，得到陀螺组件的各项误差参数的方法为：

1)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(2)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₂、B₂、C₂；

2)将位置(1)的三轴陀螺输出减位置(3)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₃、B₃、C₃；

3)将位置(4)的三轴陀螺输出减位置(5)的三轴陀螺输出：

由此得到安装误差A₁、B₁、C₁；

4)将位置(2)的y、z轴陀螺输出加位置(3)的y、z轴陀螺输出：

N_gy2+N_gy3＝2B₀

N_gz2+N_gz3＝2C₀

由此得到y、z轴的的陀螺零位B₀、C₀；

5)将位置(5)的x轴陀螺输出加位置(6)的x轴陀螺输出：

N_gx5+N_gx6＝2A₀

由此得到x轴的陀螺零位A₀。

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