CN106767915A

CN106767915A - 一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法

Info

Publication number: CN106767915A
Application number: CN201611115446.4A
Authority: CN
Inventors: 胡梦纯; 刘德文; 刘瑞鑫; 徐挺; 饶范钧
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，包括以下步骤：步骤1、大理石平板的调平，在大理石平板上放置水平仪，反复调整平板的水平度直到达到要求；步骤2、惯组通电预热，将惯组装入正六面体工装后，连接测试电缆预热；步骤3、速率法标定出陀螺标度因数、安装误差；步骤4、位置法标定出陀螺零偏，加速度计标度因数、安装误差、零偏；步骤5、数据处理与分析，通过最小二乘拟合等方法，求得陀螺、加速度计标度因数、安装误差、零偏。

Description

一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法

技术领域

本发明涉及的是一种测试方法，具体的说是一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法。

背景技术

光纤陀螺是基于Sagnac效应而发展起来的一种新型陀螺，采用光纤陀螺的惯组称为光纤惯组。基于转台的标定方法是比较成熟的惯组标定方法，是捷联惯导系统的主要技术之一，通过标定可以准确获得惯导系统的数学模型参数，如标度因数、安装误差、零偏等，在导航解算中对标定出的参数进行补偿，标定的精度会影响导航的精度。

运载用光纤惯组的特点是速率范围大，精度要求高，标定时需要测试设备提供高精度、大范围的速率覆盖面，在大速率情况下保持高精度高稳定性是标定的难点。运载用光纤惯组采用了冗余配置，其布局除了正交的三个轴各装有一个陀螺仪和一个加速度计外，还增加了一个对角线斜轴，在斜轴上安装有一个能实现冗余的陀螺仪和加速度计，标定时需要获得斜轴上陀螺仪、加速度计的标度因数、安装误差和零偏。

随着标定精度要求越来越高，转台越来越难以满足高精度惯组标定要求。高精度转台价格昂贵，且提高转台精度成本较高。因此还需要对标定方法进行优化，研究一种简单快捷，不依赖高精度转台、标定精度高的标定方法，在或实际应用中转台精度不高或者误差不稳定的条件下，可采用优化方法对惯组进行标定。本发明就是一种优化的标定方法，该方法不依赖转台，标定的重复性好、可靠性高，能实现带冗余轴的惯组标定，且该方法没有滑环，减少了电磁干扰。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种运载型号用带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，且该方法能解决传统标定方法必须借助价格昂贵的高精度三轴转台且标定结果会受转台速率精度等因素影响的问题。

为了实现上述技术方案，本发明的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，包括以下步骤：

步骤1、大理石平板的调平，在大理石平板上放置水平仪，反复调整平板的水平度直到达到要求；

步骤2、惯组通电预热，将惯组装入正六面体工装后，连接测试电缆预热；

步骤3、速率法标定出陀螺标度因数、安装误差；

步骤4、位置法标定出陀螺零偏，加速度计标度因数、安装误差、零偏；

步骤5、数据处理与分析，通过最小二乘拟合等方法，求得陀螺、加速度计标度因数、安装误差、零偏。

进一步，所述步骤2中连接测试电缆预热1h。

进一步，所述步骤3速率法标定包括：

1)令X轴指天，正六面体紧靠大理石平板上侧面的靠块，在110s内尽量均匀地将正六面体工装顺时针翻转3圈，翻转完成后正六面体也必须紧靠大理石平板侧面靠快，记录输出数据；

2)同1)类似，将正六面体逆时针翻转3圈，记录输出数据；

3)分别令惯组Y轴、Z轴指天，重复1)、2)的步骤。

进一步，所述步骤4中位置法标定包括：

1)翻动正六面体，让惯组处于第1个位置，开始采集数据，采样时间为410s；

2)依次翻动正六面体，使惯组处于2～12位置。

优选地，所述步骤4中测试软件开始采集数据时和停止采集数据时，正六面体都处于紧靠平板靠块的状态，靠在靠块的同一位置。

进一步，所述步骤5中将各项参数代入标定模型中，可拟合出测量的地球自转角速率和地球重力加速度，与理论值比较，提出用综合精度来评价标定的精度。

与现有方法相比，本发明的优点在于不依赖转台，且标定结果精度高、重复性好，符合工程应用需求。

对冗余轴的标定能在惯组正交轴发生故障时依然正常换算，斜轴上的陀螺仪和加速度计能发挥冗余作用，由于该斜轴安装位置与X、Y、Z轴的角度是固定的，通过测得该轴上的陀螺仪和加速度计输出，导航解算时依然能正常换算出X、Y、Z轴上的角速度和加速度，从而获得载体的姿态、速度和位置。

附图说明

图1为本发明实施例中的冗余结构惯组示意图。

具体实施方式

本发明实施例的基于大理石平板正六面体工装的光纤惯组标定方法，其特点在于测试设备为基于大理石平板和正六面体工装，且能标定出冗余斜轴上陀螺和加速度计的参数，应用范围是针对运载型号捷联惯组，且能实现对惯组冗余斜轴陀螺和加速度计的标定。其方法按以下步骤实现。下面结合附图对本发明做更详细的描述：

1光纤惯组输入输出数学模型的建立

光纤惯组包括四个陀螺仪，四个加速度计，分别对陀螺仪和加速度计建立输入输出数学模型。要进行标定首先要建立输入输出数学模型。

光纤陀螺标度因数非线性高，正负不对称性好，零偏稳定性好，因此可以将陀螺单表的输入输出模型近似描述为一阶形式。陀螺组合输入输出模型用一阶线性方程描述：

式中：ΔN_gx、ΔN_gy、ΔN_gz、ΔN_gs为各轴陀螺单位时间输出的脉冲数，单位P/s；

k_gx、k_gy、k_gz、k_gs为各轴陀螺的标度因数，单位P/°；

E_gqp(p＝x,y,z；q＝x、y、z、s)为惯组各测量轴相对各轴陀螺敏感轴由于安装误差导致的交耦系数，简称安装系数，其中E_gqp表示惯组p轴相对q轴陀螺的耦合；

D_gx、D_gy、D_gz、D_gs为各轴陀螺的零偏，单位°/s；

ω_x、ω_y、ω_z为外施角速率在惯组x、y、z轴上的分量，单位°/s。

由于运载型号的加速度范围为0～5g，最高过载为8g，且时间仅为25ms，加速度计二次项系数可忽略不计。加速度计组合输入输出模型用一阶线性方程描述：

式中：ΔN_ax、ΔN_ay、ΔN_az、ΔN_as为各轴加速度计单位时间输出的脉冲数，单位P/s；

k_ax、k_ay、k_az、k_as为各轴加速度计的标度因数，单位P/(g·s)；

E_aqp(p＝x、y、z；q＝x、y、z、s)为惯组各测量轴相对各轴加速度计敏感轴由于安装误差导致的交耦系数，简称安装系数，其中E_aqp表示惯组p轴上的输入对q轴加速度计的耦合；

D_ax、D_ay、D_az、D_as为各轴加速度计的零偏，单位g；

f_x、f_y、f_z为外施加速度在惯组x、y、z轴上的分量，单位g。

2光纤惯组标定方案编排与解算

建立惯组标定模型之后，需要设计合理的标定编排辨识出相应的模型系数。

●速率法采用绕X、Y、Z轴正反转3圈方法，能解算出陀螺标度因数、安装误差。

当惯组绕X轴翻转，假设初始位置X测量轴朝天，Y和Z测量轴分别水平指东和北。

当惯组绕X轴正向翻转(逆时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

式中：ω_ie为地球自转角速度；为测试点地球纬度；ω_ix为绕x轴翻转角速率。

设采样时间为T，T为x轴翻转n(n为整数)圈的时间，则绕各轴陀螺采样时间内输出脉冲数可表示为：

式中：q＝x、y、z、s。

由外施角速率在惯组各轴分量可知，非转动轴上的输入ω_y和ω_z是周期函数，当转动整数圈时积分为0，可由此化简陀螺各轴采样时间内输出脉冲，表示为：

式中：q＝x、y、z、s。

同理，当惯组绕X轴反向翻转(顺时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

化简后陀螺各轴采样时间内输出脉冲为：

式中：q＝x、y、z、s。

正反转脉冲等式相减可得：

惯组绕Y轴翻转初始位置北天东

当惯组绕Y轴正向翻转(逆时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

式中：ω_ie为地球自转角速度；为测试点地球纬度；ω_iy为绕y轴翻转角速率。

设采样时间为T，T为y轴翻转n(n为整数)圈的时间，则绕各轴陀螺采样时间内输出脉冲数可表示为：

式中：q＝x、y、z、s。

陀螺各轴采样时间内输出脉冲为：

当惯组绕Y轴反向翻转(顺时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

化简后陀螺各轴采样时间内输出脉冲为：

同理，绕Y轴正反转可得：

惯组绕Z轴翻转，初始位置为东北天。

当惯组绕Z轴正向翻转(逆时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

式中：ω_ie为地球自转角速度；为测试点地球纬度；ω_iz为绕z轴翻转角速率。

设采样时间为T，T为z轴翻转n(n为整数)圈的时间，则绕各轴陀螺采样时间内输出脉冲数可表示为：

式中：q＝x、y、z、s。

陀螺各轴采样时间内输出脉冲为：

当惯组绕Z轴反向翻转(顺时针旋转)，考虑地球自转角速度，陀螺外施角速度在惯组x、y、z轴上的分量为：

化简后陀螺各轴采样时间内输出脉冲为：

绕Z轴正反转可得：

式中：为绕p轴正转的q轴陀螺输出(q＝x、y、z、s)，为绕p轴反转的q轴陀螺输出；ω_ip(p＝x、y、z)代表绕p轴转动的角速率。

令k_gqE_gqp＝K_gqp(p＝x、y、z；q＝x、y、z、s)，由几何关系可知

归一化陀螺标度因数，可得各轴陀螺标度因数为：

式中：q＝x、y、z、s。

各轴陀螺安装误差为：

E_gqp＝K_gqp/k_gq

式中：p＝x、y、z；q＝x、y、z、s。

●位置法采用十二位置法能解算出陀螺零偏、加速度计零偏、标度因数、安装误差。

十二位置法编排见表1、2，各位置陀螺和加速度计输入见表3，其中表1为本发明实施例中的十二位置地理方向，表2为本发明实施例中的十二位置标定顺序，表3为十二位置各位置陀螺和加速度计输入。

表1

表2

表3 十二位置法各位置输入

将十二位置陀螺输入代入陀螺输入输出模型，可得：

根据陀螺各位置各轴输出可得：

式中：代表第j个位置时q轴陀螺的输出。

各轴陀螺零偏为：

将十二位置加速度计输入代入加速度计输入输出模型，可得：

利用最小二乘法可以求出：

式中代表第j个位置时q轴的加速度计输出。

令k_aqE_aqp＝K_aqp(p＝x、y、z；q＝x、y、z、s)，由几何关系可知

则可得各轴加速度计标度因数为：

各轴加速度计安装误差E_aqp＝K_aqp/k_gq，(j＝1～12，q＝x、y、z、s)。

根据加速度计各位置各轴输出可得

可求得各轴加速度计零偏为：

上述公开的仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

Claims

1.一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3、速率法标定出陀螺标度因数、安装误差；

2.如权利要求1所述的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，所述步骤2中连接测试电缆预热1h。

3.如权利要求1所述的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，所述步骤3速率法标定包括：

1) 令X轴指天，正六面体紧靠大理石平板上侧面的靠块，在110s内尽量均匀地将正六面体工装顺时针翻转3圈，翻转完成后正六面体也必须紧靠大理石平板侧面靠快，记录输出数据；

2) 同1)类似，将正六面体逆时针翻转3圈，记录输出数据；

3) 分别令惯组Y轴、Z轴指天，重复1)、2)的步骤。

4.如权利要求1所述的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，所述步骤4中位置法标定包括：

1) 翻动正六面体，让惯组处于第1个位置，开始采集数据，采样时间为410s；

2) 依次翻动正六面体，使惯组处于2~12位置。

5.如权利要求4所述的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，所述步骤4中测试软件开始采集数据时和停止采集数据时，正六面体都处于紧靠平板靠块的状态，靠在靠块的同一位置。

6.如权利要求1所述的一种运载火箭带冗余斜轴的光纤惯组标定方法，其特征在于，所述步骤5中将各项参数代入标定模型中，可拟合出测量的地球自转角速率和地球重力加速度，与理论值比较，提出用综合精度来评价标定的精度。