CN102183263A - 一种光纤陀螺常值漂移的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光纤陀螺常值漂移的标定方法。步骤1、将配备有光纤陀螺组件的捷联惯性导航系统安装在高精度三轴惯导测试转台上，预热陀螺和加速度计组件；步骤2、设计六位值标定方案标定高精度光纤陀螺组件；步骤3、利用上述六位置kalman滤波估计出的方位失准角

和

，求解出光纤陀螺组件X、Y、Z方向的常值漂移ε_x、ε_y和ε_z。本发明沿用原有的标定设备，所设的六位置标定方案操作简单，标定精度高；相对以往静态多位置分立标定实验，大大缩短标定时间，降低更多位置标定时转台误差引起的标定误差，改善捷联惯导系统导航性能。

Description

一种光纤陀螺常值漂移的标定方法

技术领域

本发明涉及的是一种捷联惯性导航技术领域的光纤陀螺常值漂移标定方法。

背景技术

捷联惯性导航系统具有反应时间短、可靠性高、体积小、重量轻等优点，广泛应用于飞机、舰船、导弹等军用和民用导航领域，具有重要的国防意义和巨大的经济效益。

光纤陀螺是一种新型的角速率传感器，与机械陀螺相比，具有全固态、对重力不敏感、启动快等优点；与环形激光陀螺相比，无高电压电源、无机械抖动；另外，还具有重量轻、寿命长、成本低等优势。在航空、航天和航海等军用领域以及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用前景。目前，提高光纤陀螺测量组件的精度主要有硬件、软件两条途径：

1、硬件方面对光纤陀螺测量组件从物理结构及工艺上进行改进，研制开发新型的、性能更为优越的光纤陀螺。

2、软件方面是对光纤陀螺测量组件进行测试，建立误差模型方程，通过误差补偿来提高光纤陀螺测量组件的实际使用精度。

从硬件方面提高光纤陀螺测量组件的精度受加工与制造工艺水平的限制，同时也会提高成本。因此，从软件方面设计光纤陀螺组件的误差补偿方法来提高其精度成为一条可行的途径。标定技术就是一种从软件方面提高光纤陀螺测量精度的方法。根据观测量的不同，可分为分立标定法和系统级标定法，分立标定法直接利用光纤陀螺的输出作为观测量，一般采用最小二乘法。系统级标定则是利用光纤陀螺输出进行导航解算，以导航误差(比如速度误差)作为观测量来标定系统的误差参数。

在实际捷联系统中，常利用三轴位置转台进行十二位置、二十四位置等多位置分立标定实验标定陀螺常值漂移。这些分立标定法存在以下缺点：1)、事后处理，实时性不强；2)数据量大，需要记录的数据多，而且随着标定参数的增加，数据量剧增，耗费时间长；3)、标定精度直接取决于测试转台的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种标定精度高，标定时间短的光纤陀螺常值漂移的标定方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1、将配备有光纤陀螺组件的捷联惯性导航系统安装在高精度三轴惯导测试转台上，预热陀螺和加速度计组件；

步骤2、设计六位值标定方案标定高精度光纤陀螺组件；控制三轴位置转台，将转台分别 定位在(0°0°0°)、(0°0°90°)、(0°0°180°)、(0°0°270°)、(0°90°0°)、(0°270°0°)六个不同位置，在每个位置采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，分别进行粗对准和Kalman精对准，记录各位置精对准结束后方位失准角的估计均值 

和 

步骤3、利用上述六位置kalman滤波估计出的方位失准角 

和 

通过下式便求解出光纤陀螺组件X、Y、Z方向的常值漂移ε_x、ε_y和ε_z

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_2\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_4\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_5\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_6\right))}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Ω_n＝ω_ie cosL，ω_ie为地球自转加速度，L为当地地理纬度。

本发明还具有如下特征：

步骤3中利用六位置下Kalman滤波估计出的方位失准角确定光纤陀螺组件常值漂移ε_x、ε_y和ε_z的具体步骤说明如下：

以东北天地理坐标系n系为导航坐标系，光纤陀螺常值漂移ε^b＝[ε_xε_yε_z]^T在导航坐标系下的投影εⁿ为

${\mathrm{\ϵ}}^n=C_b^n{\mathrm{\ϵ}}^b---\left(2\right)$

式中

$C_b^n=C_p^n{C}_b^p---\left(3\right)$

其中

为光纤陀螺坐标系b系到导航坐标系n系的转换矩阵；

为计算导航坐标系p系到导航坐标系n系的转换矩阵；

为粗对准后获得的粗略的姿态矩阵，且满足：

$C_b^p=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\ψ}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\ψ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\\ -\cos \mathrm{\θ}\mathrm{sin\γ}& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

其中，θ为俯仰角，γ为倾斜角， 

为航向角。

由于 

I单位矩阵，(3)式和(2)式可以简化为

$C_b^p=C_b^n---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}^n=C_b^p{\mathrm{\ϵ}}^b---\left(5\right)$

(5)式展开

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_e\\ {\mathrm{\ϵ}}_n\\ {\mathrm{\ϵ}}_u\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中，ε_e、ε_n和ε_u为光纤陀螺常值漂移在导航坐标系下的投影，ε_x，ε_y，ε_z为光纤陀螺常值漂移在光纤陀螺坐标系上的投影。

(6)式中取光纤陀螺常值漂移的东向投影ε_e，并展开为

ε_e＝C₁₁ε_x+C₁₂ε_y+C₁₃ε_z                (7)

实际方位失准角误差 与理论方位失准角误差 

之间有如下关系

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_u-{\mathrm{\φ}}_u={\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_u---\left(8\right)$

式中， 

为Kalman滤波方位失准角实际估计值，φ_u为方位失准角理论估计值，Δφ_u由计算误差和模型误差等因素引起的估计误差，对于同一台计算机和同一模型而言，假定它为常量。

其中，理论方位失准角误差 

为

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_e}{{\mathrm{\Ω}}_n}-\frac{{\▿}_e\tan L}{g}---\left(9\right)$

一般而言，加速度计的精度 

远高于陀螺的精度ε_e，因此，等式(9)可以简写为

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_e}{{\mathrm{\Ω}}_n}---\left(10\right)$

结合(7)式和(10)式

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u=\frac{C_{11}{\mathrm{\ϵ}}_x+C_{12}{\mathrm{\ϵ}}_y+C_{13}{\mathrm{\ϵ}}_z}{{\mathrm{\Ω}}_n}---\left(11\right)$

光纤陀螺组件常值漂移ε_x、ε_y和ε_z的求解过程是一样的。因此，在这里只详细推导ε_x的解算过程，而ε_y和ε_z的具体推导过程不再赘述。

位置1进行粗对准，得到粗略的姿态矩阵 如图1所示，矩阵 

的第一行元素C₁₁＝1、C₁₂＝0、C₁₃＝0，则(11)式等价为

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\Ω}}_n}---\left(12\right)$

位置3进行粗对准，得到粗略的姿态矩阵 

如图1所示，矩阵 

的第一行元素C₁₁＝-1、C₁₂＝0、C₁₃＝0，则(11)式等价为

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right)=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\Ω}}_n}---\left(13\right)$

联立(12)式和(13)式，ε_x可表示为

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right))}{2}---\left(14\right)$

在位置1和位置3粗对准的基础上，分别进行Kalman精对准，得到方位失准角估计值 和 

将它们分别代入(8)式，两两相减，得

${\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)={\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right)-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)---\left(15\right)$

结合(14)式和(15)式，可得ε_x的实际求解表达式

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right))}{2}---\left(16\right)$

同理，在位置2和位置4的基础上，分别进行粗对准和Kalman精对准，得到方位失准角估计值为 

和 

可得ε_y的实际求解表达式

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_2\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_4\right))}{2}---\left(17\right)$

在位置5和位置6的基础上，分别进行粗对准和Kalman精对准，得到方位失准角估计值为 

和 

可得ε_z的实际求解表达式

${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_5\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_6\right))}{2}---\left(18\right)$

本发明的有益效果在于沿用原有的标定设备，所设的六位置标定方案操作简单，标定精度高；相对以往静态多位置分立标定实验，大大缩短标定时间，降低更多位置标定时转台误差引起的标定误差，改善捷联惯导系统导航性能。

为了验证上述标定方案所产生的效果，用Matlab软件仿真。光纤陀螺组件常值漂移的设定值以及本方案的标定结果如表一所示。

表一

从表一可以看出，本发明的标定方案实现了光纤陀螺常值漂移的精确标定，提升了系统的导航精度和效率。

为了克服以往光纤陀螺常值漂移分立标定实验精度低，数据处理复杂等缺点，本发明提出一种利用速度误差为观测量的系统级标定方法。该标定方法是通过控制三轴位置转台到六个不同位置，在六个位置上分别进行粗对准和Kalman精对准，估计出六个不同位置下的方位失准角，进而确定光纤陀螺常值漂移。该方法标定精度高，相对于以往分立标定方法，大大缩短标定时间，降低更多位置标定时转台误差引起的标定误差，改善捷联惯性导航系统导航性能。

附图说明

图1为标定ε_x的三轴位置转台方位及相应的姿态矩阵；

图2为标定ε_y的三轴位置转台方位及相应的姿态矩阵；

图3为标定ε_z的三轴位置转台方位及相应的姿态矩阵；

图4为位置1和位置3下方位失准角的估计曲线；

图5为位置2和位置4下方位失准角的估计曲线；

图6为位置5和位置6下方位失准角的估计曲线；

图7为光纤陀螺组件常值漂移标定流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

步骤1、将配备有光纤陀螺组件的捷联惯性导航系统安装在高精度三轴惯导测试转台上，使光纤陀螺组件X、Y、Z敏感轴方向分别与转台内框轴、中框轴、外框轴平行。预热陀螺和加速度计组件。

步骤2、将转台初始方位(0°0°0°)，记为位置1。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 

然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置1下方位失准角的估值 

步骤3、控制转台绕外框轴转动90度，转动定位于(0°0°90°)，记为位置2。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置2下方位失准角的估值 

步骤4、在位置2的基础上，控制转台绕外框轴转动90度，转动定位于(0°0°180°)，记为位置3。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 

然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置3下方位失准角的估值 

步骤5、在位置3的基础上，控制转台绕外框轴转动90度，转动定位于(0°0°270°)，记为位置4。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 

然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置4下方位失准角的估值 

步骤6、在位置4的基础上，控制转台绕外框轴转动90度，然后再绕中框轴转动90度，转动定位于(0°90°0°)，记为位置5。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 

然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛 效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置5下方位失准角的估值 

步骤7、在位置5的基础上，控制转台绕中框轴转动180度，转动定位于(0°270°0°)，记为位置6。采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，进行粗对准，获得该位置下的姿态矩阵 

然后切换到Kalman滤波精对准。观测方位失准角的收敛效果，待滤波器稳定后，取方位失准角一分钟内的估计均值作为位置6下方位失准角的估值 

步骤8、对上述六位置kalman滤波估计出的六个方位失准角均值按照下式进行数据处理，确定出光纤陀螺组件的常值漂移，完成对光纤陀螺组件常值漂移的标定。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_2\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_4\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_5\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_6\right))}{2}\end{array}\right..$

Claims (1)

1.一种光纤陀螺常值漂移的标定方法，其特征是：

步骤1、将配备有光纤陀螺组件的捷联惯性导航系统安装在高精度三轴惯导测试转台上，预热陀螺和加速度计组件；

步骤2、设计六位值标定方案标定高精度光纤陀螺组件；控制三轴位置转台，将转台分别定位在(0^.0^.0^.)、(0^.0^.90^.)、(0^.0^.180^.)、(0^.0^.270^.)、(0^.90^.0^.)、(0^.270^.0^.)六个不同位置，在每个位置采集光纤陀螺和加速度计组件的输出，分别进行粗对准和Kalman精对准，记录各位置精对准结束后方位失准角的估计均值

和

步骤3、利用上述六位置kalman滤波估计出的方位失准角

和通过下式便求解出光纤陀螺组件X、Y、Z方向的常值漂移ε_x、ε_y和ε_z

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_1\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_3\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_2\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_4\right))}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{{\mathrm{\Ω}}_n({\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_5\right)-{\widehat{\mathrm{\φ}}}_u\left(t_6\right))}{2}\end{array}\right.$

其中，Ω_n＝ω_ie cosL，ω_ie为地球自转加速度，L为当地地理纬度。

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