CN106595710A - 一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。本发明在惯性导航系统进行初次温度补偿的基础上，针对冷态启动、快速导航的应用条件，对不同温度条件下惯性元器件冷态启动的零偏进行了测试，不仅保证了惯性导航系统在全温域的温度补偿效果，而且在任一温度点进行冷态启动，也可以保证系统长时间、高精度地工作。

Description

一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法，属惯性导航、制导及控制领域。

背景技术

对应用于高精度、长航时的惯性导航系统来说，惯性元器件(包含陀螺和加速度计)的零偏稳定性不仅是衡量元件自身性能的一个重要指标，同时也是惯性导航系统取得高精度导航结果的保障，但是由于其受温度的影响较大，如果直接利用惯性元件的输出来进行导航，由此带来的导航误差将是不可忽视的。考虑到建立单个惯性元器件温度补偿模型时，其建模所用的测试环境比较单一，温度场也比较均匀，而惯性导航系统中各个惯性元器件的工作环境复杂，惯性元器件安装支架的热力学耦合会带来一定程度的热应力变形(文献1，“激光陀螺温度场的有限元模拟与实验”，光学精密工程，2010年，于旭东等)，同时惯性导航系统中安装的减振器也会随着温度的变化而发生轻微的变形，所有这些都会对惯性元器件的零偏输出产生影响，这也导致了单个惯性元器件的温度补偿模型无法有效地应用在惯性导航系统的误差补偿算法当中。因此，为了进一步提高惯性元器件在惯性导航系统中的使用精度，最常用且有效的方法就是针对惯性导航系统的实际应用环境来设计温度实验进行系统级温度补偿。

文献2(“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”，国防科技大学博士学位论文，2013年，魏国)在分析和建立激光陀螺惯性导航系统各惯性元器件系统级零偏温度模型的基础上，对由于温度变化带来的各惯性元器件误差进行了基于最小二乘支持向量机算法的实时补偿，取得了理想的效果。然而其论文的研究是以潜艇或水面舰船用惯性导航系统为背景，可以进行16小时甚至24小时对准，基本上是热态启动和导航，而本发明所研究的背景要求在冷态启动后进行20～40分钟的快速对准，并进行长时间的导航，这就对惯性导航系统的温度补偿提出了新的要求。

现有文献大多是在系统已经热态启动后在整个温度范围内的温度补偿模型，这对于对准时间长，应用环境条件相对宽松的惯性导航系统来说是合适的，但是对于需要冷态启动，快速对准并进行长时间导航的系统来说，不仅要进行系统整个温度范围内的补偿，还要进行系统的二次温度补偿，也就是说需要对系统冷态启动的温度特性进行分析研究并进行相应的补偿。

发明内容

本发明的目的是针对惯性导航系统在进行初次温度补偿后无法保证冷态启动，快速导航应用条件下的精度而采取的系统级二次温度补偿。

本发明采用的技术方案为：一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法，采用的测试装置包括：温度变化试验箱、惯性元器件零偏采集系统和测试工装，该方法包括以下步骤：

S1系统级初次温度补偿

对惯性导航系统惯性元器件在全温域进行温度补偿(具体参见：“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”，66页～87页，国防科技大学博士学位论文，2013年，魏国)，将惯性导航系统置于温度变化试验箱中并设置温度变化试验箱以+0.3℃/分钟的温变速率从-40℃升到+50℃，共进行两次循环，一组循环测得的数据用于最小二乘支持向量机的训练，另外一组循环测得的数据用于最小二乘支持向量机的测试。经过初次温度补偿后的惯性导航系统可以在较宽的范围内对由温度引起的惯性元器件零偏趋势项进行很好的补偿。

S2系统级二次温度补偿

经过系统级初次温度补偿后，惯性导航系统惯性元器件的零偏已经得到了较好的补偿，但在系统冷态启动的条件下，惯性元器件的零偏有着不同的特性，还需要对其进行系统级二次温度补偿，具体步骤如下：

S2.1对已经做完系统级初次温度补偿的惯性元器件在不同温度条件下的冷态启动特性进行测试，该方法包括以下步骤：

S2.1.1.将安装好惯性元器件的惯性导航系统放置在温度变化试验箱内；

S2.1.2.设置温度变化试验箱的温度为-40℃并保持恒温状态8小时，冷态启动惯性导航系统，利用惯性元器件零偏采集系统对惯性元器件的零偏进行采集，时间为8小时；

S2.1.3.惯性元器件的零偏采集结束后，关闭惯性导航系统，重新设置温度变化试验箱的温度分别为-25℃、-10℃、5℃、20℃、35℃和50℃，并分别各保持上述温度8小时以上，以保证惯性导航系统内的温度与温度变化试验箱的温度达到一致。重复S2.1.2；

S2.2对该惯性导航系统中惯性元器件的零偏数据进行最小二乘法拟合：

S2.2.1.对S2.1中采集到的惯性元器件数据进行处理，对惯性元器件在不同温度条件下冷态启动的零偏做二阶多项式拟合：

B_i＝a₀+a₁T_i+a₂T_i ²

其中，T_i是实验中不同的冷态启动温度点，B_i是对应温度点下惯性元器件的零偏值，a₀,a₁,a₂是最小二乘法拟合系数。将实验结果代入公式即可得到最小二乘法拟合系数a₀,a₁,a₂；

S2.2.2.将拟合后的零偏结果装订到惯性导航系统中进行导航计算。

本发明具有以下技术效果：

本发明在惯性导航系统进行初次温度补偿的基础上，针对冷态启动、快速导航的应用条件，对不同温度条件下惯性元器件冷态启动的零偏进行了测试，不仅保证了惯性导航系统在全温域的温度补偿效果，而且在任一温度点进行冷态启动，也可以保证系统长时间、高精度地工作。

附图说明

图1为系统级初次温度补偿实验中的激光陀螺和加速度计信号和温度输出曲线图；

图2为激光陀螺惯性导航系统在冷态启动24小时内X方向激光陀螺和X方向加速度计的温度变化情况及相应的零偏误差曲线；

图3为激光陀螺惯性导航系统在不同温度点冷态启动后X方向激光陀螺和X方向加速度计的零偏估计值曲线；

图4为应用本发明，将拟合后的零偏结果装订到激光陀螺惯性导航系统后，在不同其他温度点冷态启动后的导航结果。

具体实施方式

为实现本发明目的采用的具体实施方案是：

S1系统级初次温度补偿

采取如文献2所述激光陀螺惯性导航系统的系统级初次温度补偿方法，对激光陀螺和加速度计在全温域进行温度补偿，将激光陀螺惯性导航系统置于温度变化试验箱中并设置温度变化试验箱以+0.3℃/分钟的温变速率从-40℃升到+50℃，共进行两次循环。一组数据用于支持向量机的训练，一组用于支持向量机的测试。

图1为激光陀螺惯性导航系统中X方向激光陀螺和X方向加速度计在初次温度补偿实验中的信号及温度输出，利用文献2所述的最小二乘支持向量机算法对激光陀螺和加速度计的零偏进行补偿。经过初次温度补偿后的惯性导航系统可以在较宽的范围内对由温度引起的惯性元器件零偏趋势项进行很好的补偿。

S2系统级二次温度补偿

经过初次温度补偿后，激光陀螺惯性导航系统惯性元器件的零偏已经得到了较好的补偿，但在系统冷态启动的条件下，惯性元器件的零偏有着不同的特性，图2显示了激光陀螺惯性导航系统在冷态启动24小时内X方向激光陀螺和X方向加速度计的温度变化情况及相应的零偏误差曲线(其他两个方向上惯性元器件的温度特性与此方向类似)，因此还需要对其进行实验测试和补偿，具体步骤如下：

S2.1对已经做完初次温度补偿的惯性元器件在不同温度条件下的冷态启动特性进行测试，采用的测试设备包括：温度变化试验箱、惯性元器件零偏采集系统和测试工装，该方法包括以下步骤：

S2.1.1.将安装好惯性元器件的激光陀螺惯性导航系统放置在温度变化试验箱内；

S2.1.2.设置温度变化试验箱的温度为-40℃并保持恒温状态8小时，冷态启动激光陀螺惯性导航系统，利用惯性元器件零偏采集系统对惯性元器件的零偏进行采集，时间为8小时；

S2.1.3.惯性元器件的零偏采集结束后，关闭激光陀螺惯性导航系统，重新设置温度变化试验箱的温度分别为-25℃、-10℃、5℃、20℃、35℃和50℃，并保持该温度8小时以上，以保证惯性导航系统内的温度与温度变化试验箱的温度达到一致。重复S1.2；实验结果如图3所示：

S2.2对该激光陀螺惯性导航系统中惯性元器件的零偏数据进行最小二乘法拟合：

S2.2.1.对S1中采集到的惯性元器件数据进行处理，计算惯性元器件在不同温度条件下冷态启动的零偏做二阶多项式拟合：

B_i＝a₀+a₁T_i+a₂T_i ²

其中，B_i是惯性元器件的零偏值，T_i是实验中不同的冷态启动温度点，a₀,a₁,a₂是未知参数。将实验结果代入公式即可得到最小二乘法拟合系数，如表1所示。

表1惯性传感器二次温度补偿零偏拟合结果

S2.2.2.将拟合后的零偏结果装订到惯性导航系统中进行导航验证，分别在0℃，10℃和20℃三个温度点冷态启动系统，进行20分钟对准和8小时的静态纯惯性导航，结果如图4所示。从图我们可以看到，用补偿后的结果进行新的温度点冷态启动、快速导航结果在8小时内均优于0.3nm，达到了长时间、高精度工作的要求。

Claims (1)

1.一种用于惯性导航系统的系统级二次温度补偿方法，采用的测试装置包括温度变化试验箱、惯性元器件零偏采集系统和测试工装，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1系统级初次温度补偿：

对惯性导航系统惯性元器件在全温域进行温度补偿，将惯性导航系统置于温度变化试验箱中并设置温度变化试验箱以+0.3℃/分钟的温变速率从-40℃升到+50℃，共进行两次循环，一组循环测得的数据用于最小二乘支持向量机的训练，另外一组循环测得的数据用于最小二乘支持向量机的测试；

S2系统级二次温度补偿：

具体步骤如下：

S2.1对已经做完系统级初次温度补偿的惯性元器件在不同温度条件下的冷态启动特性进行测试，该方法包括以下步骤：

S2.1.1.将安装好惯性元器件的惯性导航系统放置在温度变化试验箱内；

S2.1.2.设置温度变化试验箱的温度为-40℃并保持恒温状态8小时，冷态启动惯性导航系统，利用惯性元器件零偏采集系统对惯性元器件的零偏进行采集，时间为8小时；

S2.1.3.惯性元器件的零偏采集结束后，关闭惯性导航系统，重新设置温度变化试验箱的温度分别为-25℃、-10℃、5℃、20℃、35℃和50℃，并分别各保持上述温度8小时以上，以保证惯性导航系统内的温度与温度变化试验箱的温度达到一致，重复S2.1.2；

S2.2对该惯性导航系统中惯性元器件的零偏数据进行最小二乘法拟合：

S2.2.1.对S2.1中采集到的惯性元器件数据进行处理，对惯性元器件在不同温度条件下冷态启动的零偏做二阶多项式拟合：

B_i＝a₀+a₁T_i+a₂T_i ²

其中，T_i是实验中不同的冷态启动温度点，B_i是对应温度点下惯性元器件的零偏值，a₀,a₁,a₂是最小二乘法拟合系数，将实验结果代入公式即可得到最小二乘法拟合系数a₀,a₁,a₂；

S2.2.2.将拟合后的零偏结果装订到惯性导航系统中进行导航计算。