CN106370205B - 激光陀螺惯导系统磁致零偏测试及系统级补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光陀螺惯导系统磁致零偏测试及系统级补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。该方法包括以下步骤：S1测量激光陀螺惯导系统的磁致零偏，S2对激光陀螺惯导系统的磁致零偏进行系统级补偿；本发明所述方法可以对激光陀螺惯导系统的磁致零偏进行全面的测量，从而完整地评估激光陀螺惯导系统的磁致零偏特性，并且对于应用在复杂电磁环境中的激光陀螺惯导系统来说，本发明提出的方法可以有效地补偿其磁致零偏，提高激光陀螺惯导系统的精度。

Description

激光陀螺惯导系统磁致零偏测试及系统级补偿方法
技术领域
本发明涉及一种激光陀螺惯导系统磁致零偏测试及系统级补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。
背景技术
激光陀螺惯导系统是一种完全自主的导航系统，能在全球范围内实现全天候、隐蔽、连续的空间定位和定向，它抗干扰能力强、保密性好并且短期稳定性好，这些独特的优点使得激光陀螺惯导系统成为陆海空天等领域的主要导航系统。在激光陀螺惯导系统的误差中，惯性器件零偏误差是与机械加工、材料属性、温度和磁场等因素有关的综合性误差。对于已经加工成型的惯性器件，其零偏稳定性主要受温度和磁场影响。为了减小温度的影响，目前最有效的方法就是通过设计温度实验，分析建立惯性器件零偏的温度模型，通过软件对温度引起的零偏误差进行实时补偿(如魏国的博士论文《二频机抖激光陀螺双轴旋转惯性导航系统若干关键技术研究》，长沙：国防科学技术大学,2013)。对于磁场，往往是通过磁屏蔽来减小其影响(如于旭东的《激光陀螺旋转惯导系统IMU的磁屏蔽设计及优化分析》，中国惯性技术学报,2012年第20卷第3期，页码：283-286)。对于应用于飞机、舰船及潜艇的激光陀螺惯导系统来说，复杂的电磁环境对于惯性器件的干扰会重影响其性能。另外对于旋转激光陀螺惯导系统来说，由于电机中的强磁体的影响，惯性测量组件周围的磁场强度相对于地磁提高了数十倍(如专利CN201310688044.3公开的《一种双轴旋转光纤惯导系统磁屏蔽装置》)。因此，为了最大限度的提高激光陀螺惯导系统在复杂电磁环境下的精度，就必须减小激光陀螺惯导系统惯性器件的磁致零偏。
对于单一惯性器件，通过设计合理的磁场实验可以建立惯性器件磁致零偏与磁感应强度的准确关系，但所建立的关系往往并不适用于实际的惯导系统。对于实际的惯导系统，惯性器件的磁致零偏不仅受磁场影响，系统的结构件、减震器及信号采集板上某些关键器件随磁场变化的特性改变等均有可能导致惯性器件磁致零偏的变化。因此，在实际的磁场实验中，导致惯性器件磁致零偏变化的因素不是唯一的，且难以分离。故本发明针对激光陀螺惯导系统中惯性器件的磁致零偏，提出一种激光陀螺惯导系统磁致零偏的测试方法和系统级补偿方法。
发明内容
本发明的目的是针对激光陀螺惯导系统磁致零偏随磁场变化而变化的特点，给出一种激光陀螺惯导系统磁致零偏的测试及系统级补偿方法，以提高激光陀螺惯导系统在复杂电磁环境下的精度。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种激光陀螺惯导系统磁致零偏的测试及系统级补偿方法，包括以下步骤：
S1测量激光陀螺惯导系统的磁致零偏，采用的测试设备包括：三维亥姆霍兹线圈、激光陀螺惯导系统零偏采集系统、测试工装。由于激光陀螺惯导系统零偏不仅受磁场影响，还受温度影响，因此该系统级补偿方法针对的是已进行温度补偿后的激光陀螺惯导系统，本文后面提到的激光陀螺惯导系统均为已进行温度补偿后的系统。该测试过程包括以下步骤：
S1.1.将测试工装放置在三维亥姆霍兹线圈中央，测试工装为铝材，铝材含铁应不超过1.5％，以减小其对磁场的影响；
S1.2.将激光陀螺惯导系统安装在测试工装上，激光陀螺惯导系统的X轴、Y轴和Z轴分别与三维亥姆霍兹线圈的X轴、Y轴和Z轴平行。不加磁场，对激光陀螺惯导系统进行通电预热，预热时间不少于4小时；
S1.3.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统对激光惯导输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.4.设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.1mT；
S1.5.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统对激光惯导输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.6.分别设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT，重复S1.5；
S1.7.分别设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加Y轴方向、Z轴方向磁场，重复S1.4、S1.5、S1.6后关闭三维亥姆霍兹线圈；
S2对激光陀螺惯导系统的磁致零偏进行系统级补偿，该方法包括以下步骤：
S2.1.对于S1中采集到的激光陀螺惯导系统零偏数据进行处理，处理公式如下：
其中：
为激光陀螺惯导系统X轴、Y轴、Z轴方向施加以第j(j＝1，2，3，......，m)次磁场时第K(K＝1，2，3，4，5，6；1，2，3代表3个激光陀螺，4，5，6代表3个加速度计)个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s；
PK,0为激光陀螺惯导系统没有施加磁场时第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s；
为沿X轴、Y轴、Z轴方向施加到激光陀螺惯导系统上的第j(j＝1，2，3,......,m)次磁感应强度，单位mT，本发明中，m＝20，20次磁感应强度分别取为0.1mT、0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT；
为激光陀螺惯导系统第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件的磁致零偏补偿系数，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)，可由多元线性回归法进行建模求得。
S2.2.对于实际使用中的激光陀螺惯导系统，其惯性器件的磁致零偏通过实时采集到的三维磁感应强度及上述计算得到的磁致零偏补偿系数进行实时补偿，补偿后第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件的零偏输出为：
其中：
PK为激光陀螺惯导系统第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件经补偿后的每秒钟实时零偏脉冲输出，单位pulse/s；
PK′为激光陀螺惯导系统第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件补偿前每秒钟的零偏脉冲输出，单位pulse/s；
BX、BY、BZ分别为激光陀螺惯导系统X轴、Y轴、Z轴方向的磁感应强度，单位mT；为激光陀螺惯导系统第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件X轴、Y轴、Z轴方向的磁致零偏补偿系数，由上述计算得到，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明对激光陀螺惯导系统的磁致零偏给出了全面的测试方法，得到了激光陀螺惯导系统完整的磁致零偏特性，该方法可以有效地评估激光陀螺惯导系统的磁敏感特性；
2)本发明在测试得到激光陀螺惯导系统磁致零偏特性的基础上，给出了激光陀螺惯导系统磁致零偏的补偿方法，对于应用在复杂电磁和环境温度条件下的激光陀螺惯导系统来说，可以有效地补偿因磁场引起的激光陀螺惯导系统惯性器件的零偏误差，提高激光陀螺惯导系统的精度。
附图说明
图1为本发明的测试装置示意图；
图中，100.激光陀螺惯导系统，200.三维亥姆霍兹线圈，300.激光陀螺惯导系统零偏采集系统，400.测试工装。
图2为某型激光陀螺磁致零偏补偿前后零偏脉冲的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种激光陀螺惯导系统磁致零偏系统级补偿方法进行详细说明。
测试采用的激光陀螺惯导系统为自行研制的90型二频机抖激光陀螺惯导系统。激光陀螺惯导系统零偏采集系统直接采集惯性器件输出的原始脉冲，系统磁致零偏的测量及系统级补偿方法，包括以下步骤：
S1测量90型二频机抖激光陀螺惯导系统的磁致零偏，采用的测试设备包括：90型二频机抖激光陀螺惯导系统100，三维亥姆霍兹线圈200、激光陀螺惯导系统零偏采集系统300和测试工装400。测量程序包括以下步骤：
S1.1.将测试工装400放置在三维亥姆霍兹线圈200中央，测试工装400为铝材，铝材含铁应不超过1.5％，以减小其对磁场的影响；
S1.2.将90型二频机抖激光陀螺惯导系统100安装在测试工装400上，90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的X轴、Y轴和Z轴分别与三维亥姆霍兹线圈200的X轴、Y轴和Z轴平行。不加磁场，对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100进行通电预热，预热时间不少于4小时；
S1.3.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统300对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.4.设置三维亥姆霍兹线圈200电流，对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.1mT；
S1.5.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统300对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.6.分别设置三维亥姆霍兹线圈200电流，对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT，重复S1.5；
S1.7.分别设置三维亥姆霍兹线圈200电流，对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100施加Y轴方向、Z轴方向磁场，重复S1.4、S1.5、S1.6后关闭三维亥姆霍兹线圈200；
S2对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的磁致零偏进行系统级补偿，该方法包括以下步骤：
S2.1.对于S1中采集到的90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的零偏数据进行处理，处理公式如下：
其中：
为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100在X轴、Y轴、Z轴方向施加以第j(j＝1，2，3，......，m)次磁场时第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s；
PK,0为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100没有施加磁场时第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s；
为沿X轴、Y轴、Z轴方向施加到90型二频机抖激光陀螺惯导系统100上的第j(j＝1，2，3,......,m)次磁感应强度，单位mT，本发明中，m＝20，20次磁感应强度分别取为0.1mT、0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT；
为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件的磁致零偏补偿系数，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)，可由多元线性回归法进行建模求得。
S2.2.对于实际使用中的90型二频机抖激光陀螺惯导系统100，其惯性器件的磁致零偏通过实时采集到的三维磁感应强度及上述计算得到的磁致零偏补偿系数进行实时补偿，补偿后第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件的零偏输出为：
其中：
PK为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件经补偿后的每秒钟实时零偏脉冲输出，单位pulse/s；
PK′为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件补偿前每秒钟的零偏脉冲输出，单位pulse/s；
BX、BY、BZ分别为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100在X轴、Y轴、Z轴方向的磁感应强度，单位mT；
为90型二频机抖激光陀螺惯导系统100第K(K＝1，2，3，4，5，6)个惯性器件X轴、Y轴、Z轴方向的磁致零偏补偿系数，由上述计算得到，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)。
为了验证本发明所述方法的有效性，设置三维亥姆霍兹线圈200在X轴、Y轴、Z轴方向磁感应强度均为0.05mT、0.1mT、0.15mT、0.2mT、0.25mT、0.3mT、0.35mT、0.4mT、0.45mT、0.5mT、0.55mT、0.6mT、0.65mT、0.7mT、0.75mT、0.8mT、0.85mT、0.9mT、0.95mT、1.0mT、1.05mT、1.1mT、1.15mT、1.2mT、1.25mT、1.3mT、1.35mT、1.4mT、1.45mT，用激光陀螺惯导系统零偏采集系统300对90型二频机抖激光陀螺惯导系统100的输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟。利用S2.2所用公式进行补偿，得到补偿前后各个惯性器件的零偏脉冲。对比X陀螺磁致零偏补偿前后各磁感应强度下的零偏脉冲，如图2所示，可以看出，经过本发明提出的方法进行补偿之后，可以减小激光陀螺惯导系统磁致零偏，可以有效提高复杂电磁环境中的激光陀螺惯导系统的精度。
本发明提出了一种激光陀螺惯导系统磁致零偏的测试及系统级补偿方法，该方法可以对激光陀螺惯导系统的磁致零偏进行全面的测量，从而完整地评估激光陀螺惯导系统的磁致零偏特性，并且对于应用在复杂电磁环境中的激光陀螺惯导系统来说，本发明提出的方法可以有效地补偿其磁致零偏，提高激光陀螺惯导系统的精度。

Claims (1)

1.一种激光陀螺惯导系统磁致零偏的测试及系统级补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1 测量激光陀螺惯导系统的磁致零偏，采用的测试设备包括：三维亥姆霍兹线圈、激光陀螺惯导系统零偏采集系统、测试工装，测试过程包括以下步骤：
S1.1.将测试工装放置在三维亥姆霍兹线圈中央，测试工装为铝材，铝材含铁应不超过1.5％，以减小其对磁场的影响；
S1.2.将激光陀螺惯导系统安装在测试工装上，激光陀螺惯导系统的X轴、Y轴和Z轴分别与三维亥姆霍兹线圈的X轴、Y轴和Z轴平行；不加磁场，对激光陀螺惯导系统进行通电预热，预热时间不少于4小时；
S1.3.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统对激光惯导输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.4.设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.1mT；
S1.5.用激光陀螺惯导系统零偏采集系统对激光惯导输出信号进行数据采集，采集时间为5分钟；
S1.6.分别设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加X轴方向的磁场，使磁感应强度为0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT，重复S1.5；
S1.7.分别设置三维亥姆霍兹线圈电流，对激光陀螺惯导系统施加Y轴方向、Z轴方向磁场，使磁感应强度为0.1mT、0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT，重复S1.5，关闭三维亥姆霍兹线圈；
S2 对激光陀螺惯导系统的磁致零偏进行系统级补偿，该方法包括以下步骤：
S2.1.对于S1中采集到的激光陀螺惯导系统零偏数据进行处理，处理公式如下：
其中：
为激光陀螺惯导系统X轴、Y轴、Z轴方向施加以第j次磁场时第K个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s，j＝1，2，3，......，m；K＝1，2，3，4，5，6，1，2，3代表3个激光陀螺，4，5，6代表3个加速度计；
PK,0为激光陀螺惯导系统没有施加磁场时第K个惯性器件每秒钟的零偏脉冲，单位pulse/s，K＝1，2，3，4，5，6；
为沿X轴、Y轴、Z轴方向施加到激光陀螺惯导系统上的第j次磁感应强度，单位mT，j＝1，2，3,......,m，m＝20，20次磁感应强度分别取为0.1mT、0.2mT、0.3mT、0.4mT、0.5mT、0.6mT、0.7mT、0.8mT、0.9mT、1.0mT、1.1mT、1.2mT、1.3mT、1.4mT、1.5mT、1.6mT、1.7mT、1.8mT、1.9mT、2.0mT；
为激光陀螺惯导系统第K个惯性器件的磁致零偏补偿系数，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)，K＝1，2，3，4，5，6，可由多元线性回归法进行建模求得；
S2.2.对于实际使用中的激光陀螺惯导系统，其惯性器件的磁致零偏通过实时采集到的三维磁感应强度及上述计算得到的磁致零偏补偿系数进行实时补偿，补偿后第K个惯性器件的零偏输出为，K＝1，2，3，4，5，6：
其中：
PK为激光陀螺惯导系统第K个惯性器件经补偿后的每秒钟实时零偏脉冲输出，单位pulse/s，K＝1，2，3，4，5，6；
P′K为激光陀螺惯导系统第K个惯性器件补偿前每秒钟的零偏脉冲输出，单位pulse/s，K＝1，2，3，4，5，6；
BX、BY、BZ分别为激光陀螺惯导系统X轴、Y轴、Z轴方向的磁感应强度，单位mT；为激光陀螺惯导系统第K个惯性器件X轴、Y轴、Z轴方向的磁致零偏补偿系数，K＝1，2，3，4，5，6，由上述计算得到，单位分别为pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/s·mT2、(pulse/)(s·mT)、pulse/(s·mT3)、pulse/(s·mT2)、pulse/(s·mT)。
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