CN102519487A - 一种光纤陀螺分辨率评测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺分辨率评测方法，光纤陀螺安装在有北向基准的单轴位置转台上，使其输入轴与水平面平行。根据待测分辨率指标以及当地纬度确定测试位置，将位置转台转动到测试位置，采集多组光纤陀螺数据后进行计算，评判光纤陀螺的分辨率是否满足待测指标要求。本发明操作简单，易于实现，保证了测试的正确性和精度。

Description

一种光纤陀螺分辨率评测方法

技术领域

本发明涉及导航、制导及控制领域，尤其涉及一种光纤陀螺分辨率评测方法。

背景技术

光纤陀螺的分辨率指光纤陀螺在规定的输入角速率下，能敏感的最小输入角速率增量。由该角速率增量所产生的输出增量，至少应等于按标度因数所期望的输出增量值的50％。

分辨率反映了光纤陀螺的测量精度，如果分辨率较低，即使对某个特定的输入角速率，光纤陀螺的测量误差不大，在实际应用时，造成的测量误差也可能会超过光纤陀螺的噪声误差和漂移误差。假设光纤陀螺的分辨率为1度/小时，则意味着对于10度/小时和10.5度/小时的角速率输入，光纤陀螺实际输出的差异不会是0.5度/小时。那么即使在某个固定的角速率输入下，由噪声和漂移综合造成的误差为0.1度/小时，在实际应用时光纤陀螺的测量误差显然是要大于0.1度/小时的。

《GJB 2426A-2004光纤陀螺仪测试方法》中提出了使用速率转台进行的光纤陀螺的分辨率测试方法，但存在缺陷，不适合光纤陀螺分辨率测试使用。首先，使用目前的速率转台无法提供光纤陀螺分辨率量级(0.0001度/秒)的角速率变化，其次，该方法忽略了光纤陀螺零偏的概念，使用了固定的零偏数值，考虑到光纤陀螺的噪声和漂移与分辨率的量级是相当的，用一个固定的零偏来计算必然会带来较大的误差。

目前国内各研制单位对于光纤陀螺的分辨率都没有很严格的测试方法，国外也没有相关的公开文献。但分辨率反映了光纤陀螺的测量精度，是有必要准确地进行评测的。为此，我们发明了一种有效的光纤陀螺分辨率评测方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种光纤陀螺分辨率评测方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种光纤陀螺分辨率评测方法，该方法包括转台试验和数据处理两部分，该方法使用的转台为有北向基准的单轴位置转台；其中，所述转台试验的具体步骤如下：

(1)将光纤陀螺通过工装安装于带有北向基准的单轴位置转台上，并使得光纤陀螺输入轴与水平面平行。此时，光纤陀螺输入轴上的角速率理论值Ω和理论输出值F为：

Ω＝Ω_e·cosΨ·cosθ

F＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ)

式中，K为陀螺标度因数，D₀为光纤陀螺零偏，Ω_e为地球自转角速率，可取15.0411度/小时，Ψ为测试点地理纬度，θ为光纤陀螺输入轴与北向的夹角。

(2)以光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ为45度时的位置作为基础位置，此时光纤陀螺的输入值Ω即为“规定的输入角速率”：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ}$

(3)根据待测的分辨率ΔΩ，由：

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ\Ω}+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}{{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}\right)$

确定测试时的位置，即计算出该测试位置光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ的数值，记为θ₁；

(4)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为45度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₃₁，测试时间t由待测光纤陀螺的精度决定，具体通过Allan方差分析方法计算；

(5)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为225度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₄₁；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，共进行N次两位置测试，N一般为大于5的自然数，得到光纤陀螺数据F_3j和F_4j(j＝1-N)，每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

$F_{3j}=K(D_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

$F_{4j}=K(D_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

(7)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₁₁；

(8)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁+π的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₂₁；

(9)重复步骤(7)和步骤(8)，共进行N次两位置测试，N一般为大于5的自然数，得到光纤陀螺数据F_1j和F_2j(j＝1-N)。每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

F_1j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ₁)

F_2j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cos(θ₁+π))

转台试验结束后，共采集到2N组光纤陀螺数据进行处理，用于评判光纤陀螺的分辨率是否满足待评判指标。

所述数据处理具体步骤如下：

(1)计算2N组测试的光纤陀螺角速率测量值ω_j(j＝1-N)；

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{F_{1j}-F_{2j}}{2K}$

${\mathrm{\ω}}_{0j}=\frac{F_{3j}-F_{4j}}{2K}$

(2)对于N个计算结果ω_j(j＝1-N)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余的测试值求均值作为角速率的测量值ω；

(3)对于N个计算结果ω_0j(j＝1-N)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余的测试值求均值作为基础角速率的测量值ω₀；

(4)计算测量误差δ的数值：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ\Ω}}$

当δ落在[0.5，1.5]区间内，认为被测光纤陀螺的分辨率优于待评判值，否则认为被测光纤陀螺的分辨率劣于待评判值。

本发明的有益效果是：

1、操作简单，测试步骤明确，测试时间短，总测试时间不超过60分钟；

2、数据处理方法消除了零偏和环境磁场的影响，保证了测试值的精度和测试结果的正确性。

3、首次提出了可行的光纤陀螺分辨率评测方法，填补了测试技术的空白。

具体实施方式

分辨率测试的原理是设法对光纤陀螺的输入增加一个小的角速率增量，测试其输出增量并与理论值比较。首先根据分辨率定义中所述的“规定的输入角速率”，确定基础位置，即光纤陀螺输入轴与真北的夹角θ的数值。由于此“规定的输入角速率”并无严格要求的选择方法，因此在实际操作上只需选择θ的数值为θ₀的位置作为基础位置，该位置的理论输入角速率比阈值大一个数量级，且在此位置附近，即θ的数值在θ₀附近变化时，存在所需的测试位置，在该测试位置时，光纤陀螺输入轴上的角速率与在基础位置时相比有待测分辨率量级的角速率变化，即可满足分辨率的测试要求。由此，可以简单地选择θ为45度时的位置作为基础位置。

要准确得到某个测试位置下光纤陀螺的角速率测量值ω，必须去除光纤陀螺零偏的影响，为此可以采用两位置测试法，即两个测试位置上，光纤陀螺与北向夹角的数值之差为180度。进一步地，由于光纤陀螺的零偏中含有随机和漂移误差，使用两位置方法所得的角速率测量值依然包含误差。因此首先在每个位置测试时要选择合适的测试时间，这可由光纤陀螺的Allan方差分析方法得出，其次还要增加测试的次数并抛弃异常值以增加测试值的可信度。

进一步地，分辨率定义中的50％判据并不合理，当光纤陀螺零偏稳定性的量级接近或大于被测的角速率量级时，测试值已经不能反映被测值，例如对于0.01度/小时的角速率增量，如光纤陀螺的精度为0.1度/小时，实际测试值不可能是小于0.005度/小时的某个数值。因此实际的判据不能是单向的，必须是一个区间。考虑到误差的对称性，将判据设为[0.5，1.5]是合理的。这样分辨率的意义就更加明确，即分辨率是在某个规定的输入角速率下，光纤陀螺所能准确测量的最小角速率增量，所谓准确测量，是指测量误差不超过被测量的50％。

进一步地，由于磁光Faraday效应是光纤陀螺中的主要非互易效应，实验证明，地磁场对陀螺的测量精度存在影响，而随着陀螺输入轴与地磁场方向夹角的不同，这种影响也不同。经试验分析，地磁场对光纤陀螺的影响呈余弦关系变化，即陀螺输入轴指向南北方向时影响最大，指向东西方向时影响接近于零。如果分辨率测试时没有磁屏蔽措施，测试结果将受到影响。

下面分析如何在实际测试中减小环境磁场的影响：设地磁场对陀螺零偏的最大影响为ω_m，并记Ω_e为地球自转角速率，Ψ为当地地理纬度，则在陀螺输入轴与北向夹角为θ时，陀螺输入轴上的角速率理论值为Ω_e·cosΨ·cosθ，地磁场的影响为ω_mcosθ。按照分辨率的测试方法，选择陀螺输入轴与北向夹角为45度的位置作为基础位置，则在测试位置上，理论的角速率增量测试值Δω和实际的测试值Δω′分别为：

$\mathrm{\Δ\ω}={\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}\·\cos (45+\mathrm{\Δ\θ})-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}$

(1)

${\mathrm{\Δ\ω}}^{\′}=({\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}+{\mathrm{\ω}}_m)\·\cos (45+\mathrm{\Δ\θ})-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}$

由于地磁场影响的存在，测试值不能反映由于Δθ造成的角速率增量。而如果改变测试和计算方法，增加对基础位置上的陀螺输出的测试，并以其测试值代替理论值，公式(1)将变为：

$\mathrm{\Δ\ω}={\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}\·\cos (45+\mathrm{\Δ\θ})-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}$

(2)

${\mathrm{\Δ\ω}}^{\′}=({\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}+{\mathrm{\ω}}_m)\·\cos (45+\mathrm{\Δ\θ})-\frac{\sqrt{2}}{2}({\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}+{\mathrm{\ω}}_m)$

固有的误差将是：

$\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\Δ\ω}}^{\′}}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}}{{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\ψ}+{\mathrm{\ω}}_m}---\left(3\right)$

以地理纬度30度计算为例，固有误差约为1％，而判据误差界限为50％，因此，采用同时测试基础位置上光纤陀螺输出的方法，可以忽略由地磁场影响造成的测试误差。

下面根据上述评测原理详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

本测试方法分为转台试验和数据处理两部分。本方法使用的转台为有北向基准的单轴位置转台。

转台试验的具体步骤如下：

(1)将光纤陀螺通过工装安装于带有北向基准的单轴位置转台上，并使得光纤陀螺输入轴与水平面平行。此时，光纤陀螺输入轴上的角速率理论值Ω和理论输出值F为：

Ω＝Ω_e·cosΨ·cosθ

                              (4)

F＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ)

式中，K为陀螺标度因数，D₀为光纤陀螺零偏，Ω_e为地球自转角速率，可取15.0411度/小时，Ψ为测试点地理纬度，θ为光纤陀螺输入轴与北向的夹角。

(2)以光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ为45度时的位置作为基础位置，此时光纤陀螺的输入值Ω即为“规定的输入角速率”：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ}---\left(5\right)$

(3)根据待测的分辨率ΔΩ，由

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ\Ω}+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}{{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}\right)---\left(6\right)$

确定测试时的位置，即计算出该测试位置光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ的数值，记为θ₁；

(4)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为45度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₃₁，测试时间t由待测光纤陀螺的精度决定，具体通过Allan方差分析方法计算；

(5)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为225度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₄₁；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，共进行若干次(一般五次以上，该实施例中为10次)两位置测试，得到光纤陀螺数据F_3j和F_4j(j＝1-10)。每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

$F_{3j}=K(D_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

(7)

$F_{4j}=K(D_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

(7)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₁₁；

(8)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁+π的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₂₁；

(9)重复步骤(7)和步骤(8)，共进行若干次(一般五次以上，该实施例中为10次)两位置测试，得到光纤陀螺数据F_1j和F_2j(j＝1-10)。每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

F_1j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ₁)

                                 (8)

F_2j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cos(θ₁+π))

转台试验结束后，共采集到20组共40个光纤陀螺数据进行处理，评判光纤陀螺的分辨率是否满足待评判指标。

数据处理具体步骤如下：

(1)计算20组测试的光纤陀螺角速率测量值ω_j(j＝1-10)；

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{F_{1j}-F_{2j}}{2K}$

(9)

${\mathrm{\ω}}_{0j}=\frac{F_{3j}-F_{4j}}{2K}$

(2)对于10个计算结果ω_j(j＝1-10)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余6个测试值求均值作为角速率的测量值ω；

(3)对于10个计算结果ω_0j(j＝1-10)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余6个测试值求均值作为基础角速率的测量值ω₀；

(4)计算测量误差δ的数值：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ\Ω}}---\left(10\right)$

当δ小于0.5时，认为光纤陀螺的分辨率大于ΔΩ，否则认为光纤陀螺的分辨率小于ΔΩ。如需准确得到光纤陀螺的分辨率，可将被测的ΔΩ逐次减小，直到δ小于0.5。而实际在光纤陀螺的性能评测中，分辨率是一个评判指标而不是一个测试指标，只需得到被测光纤陀螺的分辨率是否优于待评判指标的结论，无需测试出准确的分辨率。因此只要根据评判指标选择测试位置，对测试值进行判别即可：当δ落在[0.5，1.5]区间内，认为被测光纤陀螺的分辨率优于(小于)待评判值，否则认为被测光纤陀螺的分辨率劣于(大于)待评判值。

Claims (1)

1.一种光纤陀螺分辨率评测方法，其特征在于，该方法包括转台试验和数据处理两部分，该方法使用的转台为有北向基准的单轴位置转台；其中，所述转台试验的具体步骤如下：

(1)将光纤陀螺通过工装安装于带有北向基准的单轴位置转台上，并使得光纤陀螺输入轴与水平面平行；此时，光纤陀螺输入轴上的角速率理论值Ω和理论输出值F为：

Ω＝Ω_e·cosΨ·cosθ

F＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ)

式中，K为陀螺标度因数，D₀为光纤陀螺零偏，Ω_e为地球自转角速率，可取15.0411度/小时，Ψ为测试点地理纬度，θ为光纤陀螺输入轴与北向的夹角；

(2)以光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ为45度时的位置作为基础位置，此时光纤陀螺的输入值Ω即为“规定的输入角速率”：

$\mathrm{\Ω}=\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ}$

(3)根据待测的分辨率ΔΩ，由：

$\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ\Ω}+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}{{\mathrm{\Ω}}_e\cos \mathrm{\ψ}}\right)$

确定测试时的位置，即计算出该测试位置光纤陀螺输入轴与北向的夹角θ的数值，记为θ₁；

(4)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为45度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₃₁，测试时间t由待测光纤陀螺的精度决定，具体通过Allan方差分析方法计算；

(5)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为225度的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₄₁；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，共进行N次两位置测试，N一般为大于5的自然数，得到光纤陀螺数据F_3j和F_4j(j＝1-N)，每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

$F_{3j}=K(D_0+\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

$F_{4j}=K(D_0-\frac{\sqrt{2}}{2}{\mathrm{\Ω}}_e\·\cos \mathrm{\Ψ})$

(7)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₁₁；

(8)转动位置转台，在光纤陀螺输入轴与北向的夹角为θ₁+π的位置上测试t秒光纤陀螺输出值并取平均值，记为F₂₁；

(9)重复步骤(7)和步骤(8)，共进行N次两位置测试，N一般为大于5的自然数，得到光纤陀螺数据F_1j和F_2j(j＝1-N)；每次测试中，两个位置的光纤陀螺角速率理论输出值分别为：

F_1j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cosθ₁)

F_2j＝K(D₀+Ω_e·cosΨ·cos(θ₁+π))

转台试验结束后，共采集到2N组光纤陀螺数据进行处理，用于评判光纤陀螺的分辨率是否满足待评判指标；

所述数据处理具体步骤如下：

(1)计算2N组测试的光纤陀螺角速率测量值ω_j(j＝1-N)；

${\mathrm{\ω}}_j=\frac{F_{1j}-F_{2j}}{2K}$

${\mathrm{\ω}}_{0j}=\frac{F_{3j}-F_{4j}}{2K}$

(2)对于N个计算结果ω_j(j＝1-N)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余的测试值求均值作为角速率的测量值ω；

(3)对于N个计算结果ω_0j(j＝1-N)，抛弃两个最大值和两个最小值，对剩余的测试值求均值作为基础角速率的测量值ω₀；

(4)计算测量误差δ的数值：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δ\Ω}}$

当δ落在[0.5，1.5]区间内，认为被测光纤陀螺的分辨率优于待评判值，否则认为被测光纤陀螺的分辨率劣于待评判值。