CN102636182B - 一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法，属于光纤陀螺技术领域。本发明提供的检测方法基于单位置地面对准的系统级检测方案，通过确定载体的初始位置，采集光纤陀螺仪和加表的输出数据，作零速修正和航向修正，修正后的数据作为历史信息保存；临惯组检测时，惯组仍保持初始状态，采集光纤陀螺仪和加表的输出数据，作零速修正和航向修正，修正后的数据作为当前信息保存；最后将当前信息分别和历史信息进行比对，计算一次比对检测值和二次比对检测值，以判断惯组器件指标是否合格。本发明采用系统级和器件级相结合的方法，进一步简化了操作流程，无需转动，标定时间短，操作简单；无需额外的操作设备。

Description

一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法。

背景技术

光纤陀螺是以SAGNAC效应为基本原理的角速率传感器。与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有结构简单、性能稳定、动态范围宽、瞬时响应、可承受大过载、价格相对较低、寿命长等优点，受到各国厂家和用户的普遍关注，发展相当迅速。

光纤捷联惯组一般由三个光纤陀螺和三个挠性加速度计构成。光纤捷联惯组在长时间的贮存过程中，各种性能指标一般会发生缓慢变化。为了确保惯组不影响使用，用户须经常对惯组性能进行定期或不定期的标定试验，分离各项误差系数，检测惯组的性能指标是否在合格范围内。目前常用的方法几乎完全沿用了厂级的器件标定方法即分立标定法，标定周期长，操作繁琐，对标定设备要求较高。也有提出免拆卸的方案，但需按设计要求转动惯组，或者需要其他高精度惯组作传递，对设备仍有相当要求，并且操作人员须参照某些特殊路径进行一系列操作。

当前按照用户使用要求，仍须进一步简化检测流程、最好不用转动惯组本身，并且无需额外的操作设备。这种快速性能检测方法的特点应当是系统级和器件级相结合的，可靠性高，标定时间短，无需额外设备，惯组无需转动、完全静态。

参考文献【1】：《挠性陀螺组合静态漂移参数标定》，战术导弹控制技术，2004年No.3(总46期)，陈贵金，罗海明，刘翠丽，文献中主要研究挠性陀螺组合静态参数的标定问题。通过建立陀螺组合测量系统补偿误差模型，推导出陀螺组合需要标定的静态漂移参数。再由挠性陀螺仪静态漂移误差模型，推导挠性陀螺组合静态漂移的标定方法，给出了具体的试验方法和数据处理方法。理论分析表明：所述的方法能够有效地分离出捷联陀螺组合静态漂移参数，为计算机进行误差补偿提供依据。缺点是该研究提出的标定方法属于分立标定法。这种方法也是目前对惯组进行检测常用的厂级标定方法。标定精度直接取决于测试转台的精度，对误差参数的标定精度低于系统级标定法得到的标定精度；并且标定周期长，操作繁琐，对标定设备要求较高。

参考文献【2】：《制导弹箭捷联惯组在架标定方案研究》，传感技术学报，2011年No.7(总24期)，游金川，秦永元，杨鹏翔，文献中设计了一种制导弹箭捷联惯组的在架标定方案。在给出惯性器件误差模型和惯导系统误差方程的基础上，详细推导了在俯仰、偏航(通过发射架摆动实现)和横滚(通过内部隔离环转动实现)三种单轴旋转条件下，惯导系统速度误差变化率的变化量与捷联惯组标定参数的关系。在忽略地球自转角速度、陀螺漂移误差和惯组初始姿态误差的前提条件下，该方案无需拆卸惯组可标定出部分重要参数。缺点是该研究提出的方法属于系统级方法，虽然可以实现免拆卸，但仍需按设计方案的操作序列转动惯组。并且所提出的方案忽略因素较多，不具备通用性，不利于推广应用。

参考文献【3】：《一种中低精度捷联惯测装置的不开箱标定方法研究》，中国惯性技术学报，2004年No.12(总4期)，卿立，李海强，文献中针对中低精度捷联惯测装置提出一种不开箱标定方法。该方法利用一套精度较高的惯测装置来标定低精度的惯测装置，给出一套六位置测试方法，并且用最小二乘法分离各项器件误差系数。缺点是该研究提出的方法属于器件级方法，虽然可以实现免拆卸，但首先需要一套符合要求的较高精度的惯组作为测试参考基准，同时还须按设计编排六位置操作惯组。所提出的方案操作较为麻烦，同样不具备通用性，不利于推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于贮存期内光纤惯组的快速性能检测方法，该方法的特点是系统级和器件级检测相结合，可靠性高，标定时间短，无需额外设备，无需转动、惯组完全静态。和现有技术方案相比，可操作性强，进一步降低了操作和设备的要求，具备广泛的适应性，利于推广应用。

本发明提供的检测方法基于单位置地面对准的系统级检测方案，检测信息分别与惯组器件级、系统级历史信息进行一次比对和二次比对。本发明所述惯组均为光纤惯组，所述陀螺均为光纤陀螺。所述的检测方法具体包括如下步骤：

第一步，确定载体的初始位置参数并将其装订至导航计算机，对光纤惯组进行预热，待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计(简称加表)的输出数据，并对输出数据进行零速修正和航向修正，修正后的数据作为历史信息随惯组保存。所述的载体是指惯组。

第二步，临惯组检测时，确定惯组仍保持初始状态，并进行预热；待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和加表的输出数据，保持惯组完全静态，作零速修正和航向修正，修正后的信息作为当前信息保存。

第三步，将当前信息分别和历史信息进行比对，计算一次比对检测值；并将器件级的一次比对检测值和系统级的一次比对检测值进行比对，计算二次比对检测值。根据实际情况分别对一次比对检测值和二次比对检测值设定合理的一次阈值和二次阈值，以判断惯组器件指标是否在合格范围内。

所述的当前信息和历史信息包括三个陀螺的器件级和系统级输出，以及三个加表的器件级和系统级输出。

所述的一次阈值根据器件的逐次上电稳定性数值选取；所述的二次阈值根据器件的一次上电稳定性数值选取。

本发明提供的测试方法，采用系统级和器件级相结合的方法，进一步简化了操作流程，无需转动，标定时间短，操作简单；无需额外的操作设备。

附图说明

图1为本发明的适用于贮存期的光纤惯组快速静态检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的检测方法进行详细说明。

本发明提供的基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法，流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、确定载体的初始位置参数并将其装订至导航计算机，对光纤惯组进行预热，待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计的输出数据，并对输出数据进行零速修正和航向修正，修正后的数据作为历史信息随惯组保存。

长时间整弹贮存的弹箭，其安装固定支架不会发生姿态变化，并且支架的朝向可以通过光学瞄准的方式一次性获取。相应地，光纤捷联惯组的姿态角也不会发生变化，尤其是惯组的朝向可以视为已知信息。此外，惯组一般预先经过标定后，才装入弹箭，并整弹贮存。贮存初期，惯组参数漂移较小，此时，惯组的相应参数将可以作为一个基准参考值来使用。基于上述两点，在惯组上架初期，通过外部设备确定载体的初始位置参数(包括初始的经度、纬度)并将其装订至导航计算机。保持惯组完全静态，对惯组进行预热，待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计(后面简称“加表”)的输出数据，保持惯组完全静态确定惯组准确航向角并记为θ_h0，作零速修正和航向修正，对准时间为300s(根据使用背景及惯组的稳定性情况可延长或缩短)。初始姿态角为零，即俯仰角、滚转角和航向角均为零。将惯组原始数据、准确朝向、对准过程信息等作为历史信息随惯组保存。其中惯组三个轴向的陀螺输出的角速度数据均值、加表输出的加速度数据均值分别记为并作为器件级的历史信息；对准过程水平俯仰姿态角、滚转姿态角、天向加速度计零偏误差、各轴向陀螺零偏误差稳态估计值分别记为并作为系统级的历史信息。

步骤2、临惯组检测时，确定惯组仍保持初始状态正确安放、朝向未变，并进行预热；待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和加表的输出数据，保持惯组完全静态，作零速修正和航向修正，其中航向修正参考信息为历史记录的航向角θ_h0，对准时间为300s(根据使用背景及惯组的稳定性情况可延长或缩短)。

将惯组三个轴向的陀螺输出的角速度数据均值、加表输出的加速度数据均值分别记为并作为器件级的当前信息；对准过程水平俯仰姿态角、滚转姿态角、天向加速度计零偏误差、三个轴向陀螺零偏误差稳态估计值分别记为 并作为系统级的当前信息。

步骤1、2中所述的对准，包括建立系统状态方程和量测方程，以及卡尔曼滤波状态估计。

1)导航坐标系取为游动自由方位坐标系，建立系统状态方程和量测方程如下：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ\θ}}_x\\ {\mathrm{\δ\θ}}_y\\ \mathrm{\δh}\\ {\mathrm{\δv}}_x\\ {\mathrm{\δv}}_y\\ {\mathrm{\δv}}_z\\ {\mathrm{\ψ}}_x\\ {\mathrm{\ψ}}_y\\ {\mathrm{\ψ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccccc}-\frac{v_z}{R}& 0& \frac{v_y}{R^2}& 0& -\frac{1}{R}& 0& 0& 0& 0\\ 0& -\frac{v_z}{R}& -\frac{v_x}{R^2}& \frac{1}{R}& 0& 0& 0& 0& 0\\ -v_y& v_x& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& -g& 0& 0& {2\mathrm{\Ω}}_z& -{(\mathrm{\ρ}+2\mathrm{\Ω})}_y& 0& -f_z& f_y\\ g& 0& 0& -{2\mathrm{\Ω}}_z& 0& {(\mathrm{\ρ}+2\mathrm{\Ω})}_x& f_z& 0& -f_x\\ 0& 0& 2\frac{g}{R}& {(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})}_y& -{(\mathrm{\ω}+\mathrm{\Ω})}_x& 0& -f_y& f_x& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& {\mathrm{\Ω}}_z& -{\mathrm{\ω}}_y\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& -{\mathrm{\Ω}}_z& 0& {\mathrm{\ω}}_x\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δ\θ}}_x\\ {\mathrm{\δ\θ}}_y\\ \mathrm{\δh}\\ {\mathrm{\δv}}_x\\ {\mathrm{\δv}}_y\\ {\mathrm{\δv}}_z\\ {\mathrm{\ψ}}_x\\ {\mathrm{\ψ}}_y\\ {\mathrm{\ψ}}_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ {\mathrm{\δf}}_x\\ {\mathrm{\δf}}_y\\ {\mathrm{\δf}}_z\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ 0\\ \mathrm{sign}\·{\mathrm{\ϵ}}_x\\ \mathrm{sign}\·{\mathrm{\ϵ}}_y\\ \mathrm{sign}\·{\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]---\left(1\right)$

δθ——角位置误差矢量，包括两个方向的矢量δθ_x和δθ_y；

δθ——高度误差；

δv——速度误差矢量，包括三个方向的矢量δv_x、δv_y和δv_z；

ψ——姿态角误差，包括三个方向的误差ψ_x、ψ_y和ψ_z；

v——载体运动速度矢量，包括三个方向的误差v_x、v_y和v_z；

ρ——载体运动角速率矢量；

Ω——地球自转角速率矢量，Ω_x，Ω_y，Ω_z；

ω——ρ+Ω；

g——地球重力加速度；

R——地球半径；

f——载体感受的比力矢量，包括三个方向的比力矢量f_x、f_y和f_z；

δf——加速度计输出误差，包括三个方向的误差δf_x、δf_y和δf_z；

ε——光纤陀螺仪输出误差，包括三个方向的误差ε_x、ε_y和ε_z；

sign——捷联惯组系统中取-1。

卡尔曼滤波器中光纤陀螺仪的静态漂移误差模型为：

${\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]}^n=C_b^n{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]}^b=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_X\\ B_Y\\ B_Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，B_X、B_Y、B_Z代表光纤陀螺的常值漂移误差项，n是代表导航坐标系，b是代表载体坐标系，代表捷联姿态矩阵， $C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right].$

卡尔曼滤波器中加表的静态漂移误差模型为：

${\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δf}}_x\\ {\mathrm{\δf}}_y\\ {\mathrm{\δf}}_z\end{array}\right]}^n=C_b^n{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\δf}}_x\\ {\mathrm{\δf}}_y\\ {\mathrm{\δf}}_z\end{array}\right]}^b=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_X\\ A_Y\\ A_Z\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，A_X、A_Y、A_Z代表加表的常值漂移误差项。

在静基座对准时，首先使用的外部信息是零速信息，其量测模型为：

Z₁(t)＝H₁X(t)+η₁(t)＝[O_3×3|I_3×3|O_3×3]X(t)+η₁(t)  (4)

式中，Z₁(t)为t时刻零速信息测量值的集合，H₁为量测矩阵，X(t)为离散系统在t时刻的状态向量，I_3×3为3*3阶的单位矩阵，η₁(t)为零速量测噪声矢量；

其次使用的是光学瞄准提供的航向信息，其量测模型为：

Z₂(t)＝H₂X(t)+η₂(t)＝[O_1×8|1]X(t)+η₂(t)            (5)

其中，Z₂(t)为t时刻航向信息测量值的集合，H₂为量测矩阵，X(t)为离散系统在t时刻的状态向量，η₂(t)为航向量测噪声矢量。

2)对惯组系统的状态变量进行估计，需要对光纤捷联惯导的系统状态方程和量测方程(1)进行离散化。离散化采用泰勒级数展开：

$\mathrm{\Φ}(k+1,k)=I+\mathrm{TA}\left(k\right)+\frac{T^2}{2!}{A}^2\left(k\right)+\frac{T^3}{3!}{A}^3\left(k\right)+\·\·\·\left(6\right)$

其中T为滤波周期，Φ(k+1，k)是一步转移阵，I是单位矩阵，A(k)是连续状态转移矩阵。

系统模型噪声的方差Q(k)为：

$Q\left(k\right)=\mathrm{QT}+[\mathrm{FQ}+{\left(\mathrm{FQ}\right)}^T]\frac{T^2}{2!}+\left\{F\right[\mathrm{FQ}+{\left(\mathrm{FQ}\right)}^T]+F{\left[(\mathrm{FQ}+{\mathrm{QF}}^T)\right]}^T\}\frac{T^3}{3!}+\·\·\·\left(7\right)$

其中T为滤波周期，Q(k)是等效离散系统噪声方程阵，Q是连续的系统噪声方程阵，F是离散状态转移矩阵。

3)光纤捷联惯组静态检测过程中卡尔曼滤波器的迭代，第k+1步的量测值为Z_k+1，R_k是量测噪声方差阵，Q_k是系统噪声方差阵，P_k+1/k是一步预测均方误差，K_k是滤波增益，Φ_k+1，k是一步转移阵，Г_k是系统噪声驱动阵，则x(k+1)的卡尔曼滤波估计值(k+1)按下述方程求解：

$P_{k+1/k}={\mathrm{\Φ}}_{k+1,k}{P}_{k/k}{\mathrm{\Φ}}_{k+1,k}^T+{\mathrm{\Γ}}_k{Q}_k{\mathrm{\Γ}}_k^T---\left(9\right)$

$K_{k+1}=P_{k+1/k}{H}_{k+1}^T{(H_{k+1}{P}_{K+1/k}{H}_{k+1}^T+R_{k+1})}^{-1}---\left(10\right)$

$P_{k+1/k+1}=(I-K_{k+1}{H}_{k+1})P_{k+1/k}{(I-K_{k+1}{H}_{k+1})}^T+K_{k+1}{R}_{k+1}{K}_{k+1}^T---\left(12\right)$

步骤3、将当前信息分别和历史信息进行比对，计算一次比对检测值；并将器件级比对检测值和系统级检测值进行比对，计算二次比对检测值。根据实际情况分别对一次和二次比对检测值设定合理阈值，以判断惯组器件指标是否在合格范围内。如下表1所示。所述的当前信息包括三个陀螺器件级与系统级输出，以及三个加表的器件级与系统级输出。

表1一次比对和二次比对检测值

所述的一次比对检测值是历史信息和当前信息的对应信息的数据差的绝对值，二次比对检测值是器件级一次比对检测值和系统级一次比对检测值作差后的绝对值。所述的一次比对检测值的一次阈值根据器件的逐次上电稳定性数值选取，如果一次比对检测值在一次阈值范围内，是合格的；如果一次比对检测值超过一次阈值并在一次阈值的3倍以内，需要重新标定；如果一次比对检测值超过一次阈值的3倍，为不合格，需送修。

所述的二次阈值根据器件的一次上电稳定性数值选取，如果二次比对检测值在二次阈值3倍范围以内，认为器件无故障，合格；如果二次比对检测值超过二次阈值3倍，认为不合格需要送修。

实施例

仿真试验条件设定为：

a.初始姿态设定见表2。

惯组上架初期(刚标定完的残差)主要误差分配见表3；

b.根据实际情形，对光纤惯组可能故障作如下假设：

(1)故障是常值型故障，且只是零偏误差的均值偏离惯组的性能达标参数要求，而其他统计特性不变；

(2)陀螺、加速度计零偏误差合格值分别为0.40deg/h、100μg。对于一次检测值，如在合格值范围内，视为无故障；如超出合格值且在其3倍范围内，视为器件有故障可重标；如超出合格值3倍，视为器件有故障需送修。

(3)陀螺、加速度计一次上电稳定性合格值分别为0.20deg/h、50μg。对于二次检测值，如在其3倍范围内，视为器件无故障；如超出合格值3倍，视为器件有故障需送修。

c.根据要验证的可能情况，设定为三种仿真工况，见表4：

工况1：陀螺、加表指标正常(合格值范围内)，合格；

工况2：陀螺、加表指标超差(超出合格值且在其3倍范围内)，需要重标；

工况3：陀螺、加表指标严重超差(超出合格值3倍)，有故障需送修。

所述的陀螺指标是指陀螺随机固定偏值误差，所述的加表指标是指加速度计随机固定偏值误差。

d.检测滤波器主要设计参数见表5。

对于工况1，见表6，陀螺、加表均正常；

对于工况2，见表7，陀螺、加表均有故障但可重标；

对于工况3，见表8，陀螺、加表均有故障需送修。

从不同工况的仿真结果可以看出，通过本发明方法可以完成光纤惯组的快速静态检测。

表2惯组初始姿态角

表3系统主要误差分配

表4不同工况误差源描述

表5检测滤波器主要设计参数(15阶)

表6工况1比对检测结果

表7工况2比对检测结果

表8工况3比对检测结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法，其特征在于：

第一步，确定载体的初始位置参数并将其装订至导航计算机，对光纤惯组进行预热，待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和石英加速度计的输出数据，并对输出数据进行零速修正和航向修正，修正后的数据作为历史信息随惯组保存；

第二步，临惯组检测时，确定惯组仍保持初始状态，并进行预热；待其输出稳定后，采集光纤陀螺仪和加表的输出数据，保持惯组完全静态，作零速修正和航向修正，修正后的信息作为当前信息保存；

第三步，将当前信息分别和历史信息进行比对，计算一次比对检测值；并将器件级的一次比对检测值和系统级的一次比对检测值进行比对，计算二次比对检测值；根据实际情况分别对一次比对检测值和二次比对检测值设定合理的一次阈值和二次阈值，以判断惯组器件指标是否在合格范围内；

所述的一次比对检测值是历史信息和当前信息的对应信息的数据差的绝对值，二次比对检测值是器件级一次比对检测值和系统级一次比对检测值作差后的绝对值。

2.根据权利要求1所述的一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法，其特征在于：所述的当前信息和历史信息包括三个陀螺的器件级和系统级输出，以及三个加表的器件级和系统级输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于先验信息的光纤惯组贮存期快速静态检测方法，其特征在于：所述的一次比对检测值的一次阈值根据器件的逐次上电稳定性数值选取，如果一次比对检测值在一次阈值范围内，是合格的；如果一次比对检测值超过一次阈值并在一次阈值的3倍以内，需要重新标定；如果一次比对检测值超过一次阈值的3倍，为不合格，需送修；

所述的二次阈值根据器件的一次上电稳定性数值选取，如果二次比对检测值在二次阈值3倍范围内，认为合格；如果二次比对检测值超过二次阈值3倍，认为不合格需要送修。