CN104596545B - 一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法 - Google Patents

一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，在温箱快速温变环境中采用定角标定法获取光纤陀螺仪标度因数的温度模型。首先将惯性测量装置通过六面体工装置于转台温箱，使陀螺仪被测轴与转台轴一致；温箱设置低温点保温，保温时间应满足陀螺仪光路温度达到热平衡；温箱设置快速温升模式从低温点升至高温点；转台设为位置模式，设置转台固定转速正反向旋转整数圈；陀螺仪正反向两次旋转输出的脉冲增量差值除以旋转过所有圈数角度值即为标度因数；温箱快速升温过程得到不同温度点下多组标度因数，最小二乘拟合得标度因数温度模型。该建模方法操作时间短、模型准确，可以较好的实现惯性测量装置中光纤陀螺仪标度因数的快速准确建模。

Description

一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法
技术领域
本发明涉及一种标度因数温度建模方法，特别是一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法适用于光纤惯性测量装置陀螺仪全温标度因数的高精度标定，属于惯性测量技术领域。
背景技术
光纤惯性测量装置中光纤陀螺仪的标度因数一般采用速率转台标定获得，光纤陀螺仪标度因数的参数与光纤陀螺所在的位置温度场密切相关，陀螺仪在惯性测量装置中除了自身发热外，其周围的其他仪表和电路也都会发热，此时光纤陀螺仪标度因数会跟随周围温度场的变化而发生变化。对于宇航空间用的光纤惯性测量装置，在轨运行期间航天器内部的温度可能经历低温至高温的宽温域变化，因此需要掌握光纤陀螺仪标度因数随温度的变化规律并进行建模补偿，从而实现高精度的惯性测量。
目前光纤陀螺仪的标度因数的温度模型通常采用在带转台的温箱中让温箱在不同的温度点下保温，待光纤陀螺仪光路达到热平衡后转速率得到任意温度点下的标度因数，再进行线性拟合得到陀螺仪标度因数温度模型。惯性测量装置使用陀螺仪标度因数模型时直接采用仪表一级获取的模型，该方法由于单表建模时的热环境与惯测装置一级存在差异，该模型势必存在一定误差。若惯测装置采用与陀螺仪仪表相同的标度因数建模方法，由于惯性测量装置质量远大于仪表，本身存在较大的热惯性，在任一温度点下转速率时，光纤陀螺仪光路温度差异都在5℃左右，严重影响模型的准确性，此外该标定方法耗费时间场。。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有光纤惯性测量装置中陀螺仪标度因数温度建模时模型不准确、耗费时间长等缺陷，提出了一种光纤惯性测量装置陀螺仪定角标定获取标度因数温度模型的方法，在标定出标度因数温度模型后再在常温进行一次准确的速率标定，利用常温准确的标度因数值线性外推出全温范围的标度因数模型。该建模方法操作时间短、模型准确，可以较好的实现惯性测量装置中光纤陀螺仪标度因数的快速准确建模。
本发明的技术解决方案是：一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，步骤如下：
(1)将光纤惯性测量装置放置于六面体工装内，并将六面体工装放置于带有转台的温箱中，使光纤惯性测量装置中的陀螺仪被测轴与温箱中转台的转台轴重合；
(2)设置温箱的温度变化曲线，首先将温箱在预先设定的低温点保持时间T1，使光纤惯性测量装置中的陀螺仪光路温度达到热平衡，再设置温箱温变率，使得温箱的温度从预设的低温点升至预设的高温点；
(3)将温箱转台的工作模式设置为位置模式，选择固定转速使温箱转台在T2时间内分别正向和反向旋转整数圈，旋转完成后测量光纤惯性测量装置中陀螺仪输出的脉冲增量值和陀螺仪的光路温度；
(4)由步骤(3)获取的数据计算得到某温度点下光纤陀螺的标度因数K1(T)；
(5)在步骤(2)确定的温箱温度从预设低温点升至预设高温点的过程中，每隔时间T3执行一次步骤(3)～步骤(4)，获取多组标度因数{K1、K2....Kn}和对应温度{T1、T2....Tn}；
(6)利用步骤(5)中获得的多组标度因数和对应温度，采用最小二乘拟合得到陀螺仪标度因数温度模型：K＝f(T)；
(7)常温环境下，利用转台获取陀螺仪标度因数的精确标定值K'm、对应的陀螺仪光路温度Tm和陀螺仪光路温度为Tm时利用步骤(6)中确定的标度因数温度模型计算得到的标定值Km；
(8)利用步骤(7)中获取的精确标定值K'm和标度因数温度模型计算得到的标定值Km对步骤(6)中获取的陀螺仪标度因数温度模型进行修正，修正后的陀螺仪标度因数温度模型为：
所述步骤(2)中的预设低温点和预设高温点为分别为待建模温度范围的下边界点和上边界点。
所述步骤(2)中温变率的选取使得温箱的温度两小时以内从预设的低温点升至预设的高温点。
所述步骤(3)中的T2小于等于60秒。
所述步骤(3)中进行正向旋转和反向旋时，陀螺仪光路温度的变化在1℃以内。
所述步骤(5)中的T3满足：T3<＝T4/10，所述T4为温箱的温度从预设的低温点升至预设的高温点的时间。
所述步骤(3)中所述温箱转台正向旋转与反向旋转的圈数相等。
所述步骤(6)中陀螺仪标度因数温度模型的阶数为2～4。
所述步骤(4)中由步骤(3)获取的数据计算得到某温度点下光纤陀螺的标度因数K1(T)，具体由公式：
给出，其中，D1(T)和D2(T)分别为正向旋转和反向旋转时光纤惯性测量装置中陀螺仪输出的脉冲增量值，T为陀螺仪的光路温度，n为正向旋转或反向旋转的旋转圈数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，在单温度点下60秒内完成标度因数的标定，且在标定过程陀螺仪光路温度的变化在1℃以内，使得陀螺仪标度因数温度建模耗费时间短，陀螺仪光路温度变化小，陀螺仪标度因数温度模型建模准确；
(2)本发明中的建模方法在各温度点下按照一个速率点进行正反向旋转，省去了温箱中各温度点下旋转多个速率点的工作，使得标定方法简单、试验方便；
(3)本发明中的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，既适用于惯性测量装置进行陀螺仪标度因数温度建模，又适用于光纤陀螺仪单表进行标度因数温度建模，标定方法具有通用性。
附图说明
图1为本发明的温度建模方法流程图；
图2为依据本发明实施的温箱快速温升曲线；
图3为依据本发明获取的标度因数随温度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细地描述，如图1所示为本发明的温度建模方法流程图，从图1可知，本发明提出的一种光纤惯性测量装置陀螺仪定角标定获取标度因数温度模型的方法，具体步骤为：
(1)将光纤惯性测量装置放置于六面体工装，并将工装置于带有转台的温箱，使陀螺仪被测轴与转台轴一致；
(2)图2所示为实施本发明的温箱快速温升曲线，标度因数温度建模范围为0℃～55℃，光纤惯测装置通电，首先使温箱在0℃保持2小时，使陀螺仪光路温度达到热平衡，再设置温箱温变率25℃/h，从0℃升至55℃需要132分钟；
(3)温箱转台设置为位置模式，选择固定转速20°/s，正、反向分别旋转一圈，保证正负向标度因数都包含，完成两次旋转需要36s，记为一次定角标定；温箱转台包括速率模式和位置模式，在速率模式下，温箱转台根据设定的角速率进行旋转，在位置模式下，温箱转台由当前角度转动至设定的角度；
(4)记录此时光纤环光路温度T1和正反转时陀螺仪输出的脉冲增量值D1(T1)、D2(T1)；
(5)光纤陀螺在T1温度点下的的标度因数为K1(T)，其计算式为：
(6)每隔十分钟进行一次定角标定，温箱升温过程中根据步骤(5)可计算获取12个温度点下的标度因数{-10.0250，-10.0258，-10.0268，-10.0277，-10.0289，-10.0298，-10.0307，-10.0317，-10.0337，-10.0363，-10.0375，-10.0377}(脉冲/角秒)和对应温度{0.21，7，14.5，21.7，29，33.7，37.8，41.7，48.2，55.1，57.8，58.2}(摄氏度)，采用最小二乘拟合得到陀螺仪标度因数初始温度模型：
K＝-0.00000004664185·T3+0.00000122353479·T2-0.00013193795421·T-10.02496919215848；
图3所示为依据本发明获取的标度因数随温度变化曲线，标度因数随温度的变化趋势基本单调，因此使用最小二乘拟合可以得到准确的标度因数温度模型。
(7)常温环境下在转台采用转速率的方式获取陀螺仪标度因数的精确标定值-10.0287，此时陀螺仪光路温度为10.03℃，根据步骤(6)的模型式得光路温度为10.03℃时标度因数计算值为-10.0291，对陀螺仪标度因数温度模型进行修正，修正式为：即光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度模型为：
K'＝-0.00000004663999·T3+0.000001223485991·T2-0.000131932692005·T-10.024569356911362。
我国某型号航天器上的光纤惯性测量装置采用了该陀螺仪标度因数温度建模方法，实现了-10℃～45℃温度范围光纤陀螺标度仪因数重复性30ppm的高精度指标。应用了本发明算法可有效提高光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模的精度，并使得温度建模所需的时间和人力大大减小。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于步骤如下：
步骤(1)将光纤惯性测量装置放置于六面体工装内，并将六面体工装放置于带有转台的温箱中，使光纤惯性测量装置中的陀螺仪被测轴与温箱中转台的转台轴重合；
步骤(2)设置温箱的温度变化曲线，首先将温箱在预先设定的低温点保持时间T1，使光纤惯性测量装置中的陀螺仪光路温度达到热平衡，再设置温箱温变率，使得温箱的温度从预设的低温点升至预设的高温点；
步骤(3)将温箱转台的工作模式设置为位置模式，选择固定转速使温箱转台在T2时间内分别正向和反向旋转整数圈，旋转完成后测量光纤惯性测量装置中陀螺仪输出的脉冲增量值和陀螺仪的光路温度；
步骤(4)由步骤(3)获取的数据计算得到某温度点下光纤陀螺的标度因数K1(T)；
步骤(5)在步骤(2)确定的温箱温度从预设低温点升至预设高温点的过程中，每隔时间T3执行一次步骤(3)～步骤(4)，获取多组标度因数{K1、K2····Kn}和对应温度{T1、T2····Tn}；
步骤(6)利用步骤(5)中获得的多组标度因数和对应温度，采用最小二乘拟合得到陀螺仪标度因数温度模型：K＝f(T)；
步骤(7)常温环境下，利用转台获取陀螺仪标度因数的精确标定值K'm、对应的陀螺仪光路温度Tm和陀螺仪光路温度为Tm时利用步骤(6)中确定的标度因数温度模型计算得到的标定值Km；
步骤(8)利用步骤(7)中获取的精确标定值K'm和标度因数温度模型计算得到的标定值Km对步骤(6)中获取的陀螺仪标度因数温度模型进行修正，修正后的陀螺仪标度因数温度模型为：
2.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中的预设低温点和预设高温点为分别为待建模温度范围的下边界点和上边界点。
3.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中温变率的选取使得温箱的温度两小时以内从预设的低温点升至预设的高温点。
4.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中的T2小于等于60秒。
5.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中进行正向旋转和反向旋转时，陀螺仪光路温度的变化在1℃以内。
6.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(5)中的T3满足：T3<＝T4/10，所述T4为温箱的温度从预设的低温点升至预设的高温点的时间。
7.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述温箱转台正向旋转与反向旋转的圈数相等。
8.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(6)中陀螺仪标度因数温度模型的阶数为2～4。
9.根据权利要求1所述的光纤惯性测量装置陀螺仪标度因数温度建模方法，其特征在于：所述步骤(4)中由步骤(3)获取的数据计算得到某温度点下光纤陀螺的标度因数K1(T)，具体由公式：
给出，其中，D1(T)和D2(T)分别为正向旋转和反向旋转时光纤惯性测量装置中陀螺仪输出的脉冲增量值，T为陀螺仪的光路温度，n为正向旋转或反向旋转的旋转圈数。
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