CN110375726A - 一种光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统 - Google Patents

一种光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤陀螺系统级温度补偿方法和补偿装置，解决现有温度补偿不准确的技术问题。包括：搭建系统级温度补偿平台；采集与处理所述温度补偿平台的工况温度数据；利用所述工况温度数据形成零偏估计模型；通过所述零偏估计模型进行零偏补偿。将光纤陀螺的零偏补偿模型在光纤捷联惯组的工况环境中建立，在充分反映系统性温度变化和温度变化率的基础上，获得系统温度形成的测量偏差并予以消除，保证了光纤惯组在全温域环境下的寻北精度。

Description

一种光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统。
背景技术
光纤陀螺实际上是一个基于萨格奈克效应(光纤线圈相对惯性空间的转速与逆时针和顺时针方向传播的两束光波之间形成的干涉光的相位差呈对应关系的一种现象)的环形干涉仪，因此实现对干涉光相位差的测量即可测量出陀螺敏感轴的角速率。由于光纤线圈中同一段光纤存在着时变温度扰动，导致两束光在不同时间经过这段光纤时会因温度变化引起相位误差。同时，构成光纤陀螺的光源和耦合器等部件对温度也较为敏感，环境温度变化时这些部件也会引起相位误差，从而形成光纤陀螺温度漂移，进而影响输出精度，也直接关系到光纤惯导系统的定向精度。因此，需要有效实施温度补偿提高光纤陀螺在不同温度条件下的适用性。
在传统的温度漂移补偿方法中，温度漂移建模针对单只陀螺，使得器件级的温度漂移模型建模环境不能真实反映惯导系统内部的热环境变化无法满足系统级的温度漂移补偿。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统，解决现有温度补偿不准确的技术问题。
本发明实施例的光纤陀螺系统级温度补偿方法，包括：
搭建系统级温度补偿平台；
采集与处理所述温度补偿平台的工况温度数据；
利用所述工况温度数据形成零偏估计模型；
通过所述零偏估计模型进行零偏补偿。
本发明一实施例中，所述搭建系统级温度补偿平台包括：
在设置的高低温箱内安装惯导系统，惯导系统采用光纤陀螺。
设置所述惯导系统的测控主机，以便实现所述惯导系统中光纤陀螺的数据采集,设计所述高低温箱的策略控制,以便获得各温度条件下的实际工况环境。
本发明一实施例中，所述采集与处理所述温度补偿平台的工况温度数据包括：
采集所述光纤陀螺在确定工作温度时的陀螺零偏和温度数据,并通过最小二乘法获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的常值和系数；
获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的启动温度T0；
根据所述确定工作温度时的常值和系数通过最小二乘法拟合形成各常值和系数对应的以1到3阶陀螺启动温度为变量的温度系数。
本发明一实施例中，所述常值和系数包括零偏常数、陀螺温度系数和陀螺温度变化率系数，所述常值和系数估计方法如下：
χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
ε＝Aχ，
其中，ε0为零偏常数，αi为陀螺温度系数，βj为温度变化率系数，χ为常数和系数组成的列向量，为Ti温度时光纤陀螺的实时零偏，ε为的列向量，N为陀螺温度漂移数据个数，T1,…,TN为光纤陀螺温度影响因素，为光纤陀螺温度变化率影响因素，m和n为各温度因素的最高次幂，A为温度影响因素和温度变化率影响因素组成的矩阵。
本发明一实施例中，所述温度系数的估计方法如下：
其中，B＝[Bij](i＝1，2，…，m+n+1，j＝0，1，2，3)为待估计的温度系数。
令χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
本发明一实施例中，所述利用所述工况温度数据形成零偏估计模型包括：
将确定的启动温度、估计的启动温度参数和两者间的对应关系在惯导系统的存储器中进行存储；
根据所述估计的温度系数形成所述光纤陀螺的零偏常数ε0、陀螺温度系数αi和陀螺温度变化率系数βj；
利用所述零偏常数ε0、所述陀螺温度系数αi和所述陀螺温度变化率系数βj形成零偏估计模型。
本发明一实施例中，所述零偏估计模型表达如下：
其中，为当前T温度时陀螺的零偏；ε0为零偏常数、αi为陀螺温度系数和βj为温度变化率系数；m和n为各温度因素的最高次幂。
本发明一实施例中，通过所述零偏估计模型进行零偏补偿包括：
根据所述零偏估计模型获得当前温度所述光纤陀螺实时工况的零偏估值；
获取当前温度所述光纤陀螺实时工况的实时输出数据；
在所述实时输出中实时抵消所述零偏估值形成补偿输出数据。
本发明实施例的光纤陀螺系统级温度补偿装置，包括：
存储器，用于存储上述光纤陀螺系统级温度补偿方法中对应处理过程的程序代码；
处理器，用于执行所述程序代码。
本发明实施例的光纤惯导系统，采用上述光纤陀螺系统级温度补偿方法对光纤惯导系统中的光纤陀螺进行零偏补偿。
本发明实施例的光纤陀螺系统级温度补偿方法、装置和光纤惯导系统将光纤陀螺的零偏补偿模型在光纤捷联惯组的工况环境中建立，在充分反映温度变化和温度变化率的基础上，获得随陀螺温度变化的零偏估计并予以消除，保证了光纤惯组在全温域环境下的寻北精度。
附图说明
图1所示为本发明一实施例光纤陀螺系统级温度补偿方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例光纤陀螺系统级温度补偿方法如图1所示。在图1中，本实施例包括：
步骤100：搭建系统级温度补偿平台。
利用前置装配程序装配光纤惯导系统，以实现光纤陀螺系统级的工作环境,搭建温控平台并设计温控策略以获得各温度条件下的实际工况环境。
步骤200：采集与处理温度补偿平台的工况温度数据。
采集所述光纤陀螺在确定工作温度时的陀螺零偏和温度数据并处理以建立光纤陀螺系统级的固有温度特性，即得到各常值和系数对应的待估计温度系数。固有温度特性反映光纤陀螺受温度影响时的误差、误差变化趋势、温度形成趋势、温度变化趋势等与温度因素关联的物理特性，这些物理特性间存在转换或映射关系。
步骤300：利用工况温度数据形成零偏估计模型。
利用得到的各常值和系数对应的待估计温度系数，建立各常值和系数的估计模型，再利用各常值和系数的估计模型建立零偏的实时估计模型。利用固有温度特性作为工况过程中温度漂移状态建立零偏估计过程，形成光纤陀螺工况时可能的温度变化与温度因素输出偏差的合理量化估计。
步骤400：通过零偏估计模型进行零偏补偿。
陀螺的实时输出中补偿依据零偏估计模型得到实时陀螺零偏即为修正后的陀螺实时输出。零偏估值反映在惯导系统中形成的光纤陀螺的固有温度特性对光纤陀螺中光纤线圈的固有影响，抵消零偏估值实质上消除的是系统性温度因素变化造成的系统性温偏误差。
本发明实施例的光纤陀螺系统级温度补偿方法将光纤陀螺的零偏补偿模型在光纤捷联惯组的工况环境中建立，在充分反映系统性温度变化和温度变化率的基础上，获得系统温度形成的测量偏差并予以消除，保证了光纤惯组在全温域环境下的寻北精度。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤100包括：
步骤110：在设置的高低温箱内安装惯导系统，惯导系统采用光纤陀螺。
步骤120：设置所述惯导系统的测控主机，以便实现所述惯导系统中光纤陀螺的数据采集,设计所述高低温箱的策略控制,以便获得各温度条件下的实际工况环境。
本发明一实施例中，策略控制和测控主机使用步骤具体如下：
1)定点恒温策略控制和测控主机使用
首先，设定温箱初始温度；
然后，设定温箱保温时长以及数据采集时长；
最后，到保温时长后，启动惯导系统，使用测控主机采集设定时长的光纤陀螺数据；
2)变温策略控制和测控主机使用
首先，设定温箱初始温度，中间温度，最终温度以及变温速率；
其次，设定温箱各恒温点的保温时长以及数据采集时长；
然后，到初始温度保温时长后，启动惯导系统，使用测控主机采集设定时长的光纤陀螺数据；
最后，温箱按照设定的中间温度，最终温度，保温时长和变温速率进行温度控制，其间光纤陀螺一直保持工作状态并使用测控主机采集光纤陀螺数据。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤200包括：
步骤210：采集所述光纤陀螺在确定工作温度时的陀螺零偏和温度数据, 并通过最小二乘法获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的常值和系数。
确定工作温度是人为设定的固定测量温度，固定测量温度是连续的离散温度。瞬时状态包括光纤陀螺所处捷联惯组内环境中可以测量到的温度、温度变化率、温度影响因素、瞬时输出等工况状态参数。
常值和系数包括零偏常数、陀螺温度系数和陀螺温度变化率系数，常值和系数估计方法如下：
χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
ε＝Aχ，
其中，ε0为零偏常数，αi为陀螺温度系数，βj为温度变化率系数，χ为常数和系数组成的列向量，为Ti温度时光纤陀螺的实时零偏，ε为的列向量，N为陀螺温度漂移数据个数，T1,…,TN为光纤陀螺温度影响因素，为光纤陀螺温度变化率影响因素，m和n为各温度因素的最高次幂，A为温度影响因素和温度变化率影响因素组成的矩阵。
其中，m和n的选择遵循以下2个原则，1)当建立n阶多项式模型后，如果其模型残差与n+1阶多项式模型的残差非常接近，并且n+1阶系数趋近于 0，则表明n阶多项式的拟合精度和n+1阶多项式精度相当，不需要再增加多项式模型的阶数，否则，需要增加多项式模型的阶数；2)经过n阶多项式模型补偿后，判断光纤陀螺的漂移精度是否达到陀螺性能指标的要求，如果已经达到，说明n阶多项式模型的补偿精度已经达到了要求，不需要再增加多项式模型的阶数。
步骤220：获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的启动温度T0。
步骤230：根据所述确定工作温度时的常值和系数通过最小二乘法拟合形成各常值和系数对应的以1到3阶陀螺启动温度为变量的温度系数。
具体估计方法如下：
其中，B＝[Bij](i＝1，2，…，m+n+1，j＝0，1，2，3)为待估计的温度系数。
令χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤300包括：
步骤310：将所述确定的启动温度、估计的启动温度参数和两者间的对应关系在惯导系统的存储器中进行存储。
步骤320：根据所述估计的温度系数形成所述光纤陀螺的零偏常数ε0、陀螺温度系数αi和陀螺温度变化率系数βj；
步骤330：利用所述零偏常数ε0、所述陀螺温度系数αi和所述陀螺温度变化率系数βj形成零偏估计模型。
零偏估计模型形式如下：
其中，为当前T温度时陀螺的零偏；ε0为零偏常数、αi为陀螺温度系数和βj为温度变化率系数；m和n为各温度因素的最高次幂。
如图1所示，在本发明一实施例中，步骤400包括：
步骤410：根据所述零偏估计模型获得当前温度所述光纤陀螺实时工况的零偏估值。
步骤420：获取当前温度所述光纤陀螺实时工况的实时输出数据。
步骤430：在所述实时输出中实时抵消所述零偏估值形成补偿输出数据。
本发明一实施例的光纤陀螺系统级温度补偿装置，包括：
存储器，用于存储上述光纤陀螺系统级温度补偿方法中对应处理过程的程序代码；
处理器，用于执行上述光纤陀螺系统级温度补偿方法中对应处理过程的程序代码。
处理器可以采用DSP(Digital Signal Processing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(System on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。
本发明一实施例的光纤惯导系统，采用上述光纤陀螺系统级温度补偿方法对光纤惯导系统中的光纤陀螺进行零偏补偿。
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 (10)

1.一种光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，包括：
搭建系统级温度补偿平台；
采集与处理所述温度补偿平台的工况温度数据；
利用所述工况温度数据形成零偏估计模型；
通过所述零偏估计模型进行零偏补偿。
2.如权利要求1所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述搭建系统级温度补偿平台包括：
在设置的高低温箱内安装惯导系统，惯导系统采用光纤陀螺；
设置所述惯导系统的测控主机，以便实现所述惯导系统中光纤陀螺的数据采集,设计所述高低温箱的策略控制,以便获得各温度条件下的实际工况环境。
3.如权利要求1所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述采集与处理所述温度补偿平台的工况温度数据包括：
采集所述光纤陀螺在确定工作温度时的陀螺零偏和温度数据,并通过最小二乘法获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的常值和系数；
获取所述光纤陀螺在确定工作温度时的启动温度T0；
根据所述确定工作温度时的常值和系数通过最小二乘法拟合形成各常值和系数对应的以1到3阶陀螺启动温度为变量的温度系数。
4.如权利要求3所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述常值和系数包括零偏常数、陀螺温度系数和陀螺温度变化率系数，所述常值和系数估计方法如下：
χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
ε＝Aχ，
其中，ε0为零偏常数，αi为陀螺温度系数，βj为温度变化率系数，χ为常数和系数组成的列向量，为Ti温度时光纤陀螺的实时零偏，ε为的列向量，N为陀螺温度漂移数据个数，T1,…,TN为光纤陀螺温度影响因素，为光纤陀螺温度变化率影响因素，m和n为各温度因素的最高次幂，A为温度影响因素和温度变化率影响因素组成的矩阵。
5.如权利要求3所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述温度系数的估计方法如下：
其中，B＝[Bij](i＝1，2，…，m+n+1，j＝0，1，2，3)为待估计的温度系数；
令χ＝[ε0 α1 … αm β1 … βn]T，
6.如权利要求1所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述利用所述工况温度数据形成零偏估计模型包括：
将确定的启动温度、估计的启动温度参数和两者间的对应关系在惯导系统的存储器中进行存储；
根据所述估计的温度系数形成所述光纤陀螺的零偏常数ε0、陀螺温度系数αi和陀螺温度变化率系数βj；
利用所述零偏常数ε0、所述陀螺温度系数αi和所述陀螺温度变化率系数βj形成零偏估计模型。
7.如权利要求6所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述零偏估计模型表达如下：
其中，为当前T温度时陀螺的零偏；ε0为零偏常数、αi为陀螺温度系数和βj为温度变化率系数；m和n为各温度因素的最高次幂。
8.如权利要求1所述的光纤陀螺系统级温度补偿方法，其特征在于，所述通过所述零偏估计模型进行零偏补偿包括：
根据所述零偏估计模型获得当前温度所述光纤陀螺实时工况的零偏估值；
获取当前温度所述光纤陀螺实时工况的实时输出数据；
在所述实时输出中实时抵消所述零偏估值形成补偿输出数据。
9.一种光纤陀螺系统级温度补偿装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储如权利要求1至8任一所述光纤陀螺系统级温度补偿方法中对应处理过程的程序代码；
处理器，用于执行所述程序代码。
10.一种光纤惯导系统，其特征在于，采用如权利要求1至8任一所述光纤陀螺系统级温度补偿方法对光纤惯导系统中的光纤陀螺进行零偏补偿。
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