CN113639737A - 一种光纤陀螺零偏确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺零偏确定方法：S1、获取预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表；S2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值和降温零偏值；S3、计算当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重；S4、对步骤S2得到的当前温度所对应的升温零偏值和降温零偏值进行加权运算，最终得到光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值。本发明可根据温度、升降温趋势及温变率实时计算得到加权后的零偏补偿值，解决了传统零偏补偿方法存在的环境适应性差的问题，适合不同型号或精度的光纤陀螺零偏建模及补偿。

Description

一种光纤陀螺零偏确定方法

技术领域

本发明涉及一种光纤陀螺零偏确定方法，属于光纤陀螺仪技术领域。

背景技术

陀螺仪是惯性系统必不可少的组成部分，用于测量载体的角速度。相对于传统的机械陀螺，光纤陀螺基于萨格奈克(Sagnac)效应设计而成，无任何活动部件。因此，这种新型全固态陀螺仪具有体积小、重量轻、精度高、成本低、可靠性高、寿命长等诸多优势，现已广泛应用于军事及民用领域。光纤陀螺对于环境温度变化比较敏感，会随着环境温度的变化而产生非互异性相位误差，进而导致光纤陀螺零位出现漂移。因此，需对光纤陀螺零位随温度漂移情况进行补偿。

目前，对光纤陀螺进行温度补偿的方法主要是建立陀螺输出和温度之间的模型。由于陀螺零偏在全温范围内的变化趋势不仅与当前温度情况有关，还与升降温趋势情况及温度变化率情况密切相关，因此传统采用静态温度补偿的方法或者采用单一变温的建模方法得到的数据都存在补偿因子单一、使用环境受限、适应性差等问题。某些方法虽然考虑到了变温趋势及温度变化率对陀螺零偏的影响，但存在建模方法复杂、时间成本高、实用性差等问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种光纤陀螺零偏确定方法，简化陀螺零偏建模流程、缩短了陀螺零偏建模时间、提高了光纤陀螺零偏补偿环境适应性。

本发明所采用的技术方案是：一种光纤陀螺零偏确定方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表，所述零偏升温模型表包括按照预设升温温变率升温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏；所述零偏降温模型表包括按照预设降温温变率降温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏；

S2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值和降温零偏值；

S3、被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值、降温零偏值和当前温变率，计算当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重；

S4、根据步骤S3中计算得到的当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重，对步骤S2得到的当前温度所对应的升温零偏值和降温零偏值进行加权运算，最终得到光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值。

所述步骤S1预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表通过如下方法建立：

S1.1、在光纤陀螺全温工作范围内，分别开展升温试验和降温试验，获取预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值；

S1.2、对步骤S1中获取的预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值，进行数值拟合，得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式；

S1.3、将全温工作范围分成间隔相同的N个工作温度，将每个工作温度代入预设变温率下升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、预设变温率下降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式，得到预设变温率下升温时每个工作温度对应的陀螺零偏、降温时每个工作温度对应的陀螺零偏，从而建立预设变温率下零偏升温模型表及降温模型表。

所述步骤S1.2采用多项式拟合、神经网络方法得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式。

所述步骤S2的具体方法为：

S2.1、获取被测光纤陀螺当前时刻及其之前一段预设时间内的平均环境温度作为当前温度；

S2.2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取与当前温度最接近温度对应的陀螺零偏值，作为当前温度对应的陀螺零偏值。

所述步骤S3中：

零偏升温模型权重Q₊计算公式为：

所述零偏降温模型权重Q_-计算公式为：

其中，T_k+为预设升温温变率，T_k-为预设降温温变率；ΔT为当前温变率。

所述当前温变率ΔT通过当前温度与当前温度上一预设时间段内平均温度之差计算得到。

所述步骤S3中进行权重计算当前温变率ΔT进行限幅判断与处理：

当ΔT<T_k-时，令ΔT＝T_k-；当ΔT>T_k+时，令ΔT＝T_k+。

所述步骤S4中光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值计算公式为：

D_G＝Q₊×D_G++Q_-×D_G-

其中，D_G为加权运算后得到零偏值，D_G+为当前环境温度对应的升温模型表中零偏值，D_G-为当前环境温度对应的降温模型表中零偏值。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和有益效果：

(1)、本发明解决了传统采用静态温度补偿的方法或者采用单一变温的建模方法存在的补偿因子单一、使用环境受限、适应性差等问题，通过建模试验将温度、升降温趋势及温变率等陀螺温度漂移影响因素全部提取出来并引入至补偿数学模型中，实现了对光纤陀螺在任一温度点、任一变温趋势和任一温变率下温度漂移的精确补偿，极大提高了实际使用工况下光纤陀螺零偏补偿的精度及环境适应性。

(2)本发明解决了某些方法存在的由于补偿因子多导致的建模方法复杂、时间成本高、实用性差的问题，仅通过开展一个固定温变率的升降温循环，即可将陀螺温度漂移影响因素全部提取并引入至补偿数学模型中，实现对光纤陀螺的精确实时补偿，极大地提高了建模效率、缩短了建模时间，在保证补偿精度及环境适应性的同时提高了工程实用性。

附图说明

图1为本发明光纤陀螺零偏建模及补偿实现流程图；

图2为本发明光纤陀螺零偏补偿算法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

本发明提供了一种光纤陀螺零偏确定方法，该方法包括以下步骤：

S1、获取预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表，所述零偏升温模型表包括按照预设升温温变率升温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏；所述零偏降温模型表包括按照预设降温温变率降温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏。

所述全温工作范围为陀螺最低工作温度t_min至最高工作温度t_max。升温建模试验温变率T_k+和降温建模试验温变率T_k-均为某固定值，该值可依据光纤陀螺具体使用环境而定。

预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表通过如下方法建立：

S1.1、在光纤陀螺全温工作范围内，分别开展升温试验和降温试验，获取预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值；

S1.2、对步骤S1中获取的预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值，进行数值拟合，得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式。

本步骤采用多项式拟合、神经网络方法得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式。

S1.3、将全温工作范围分成间隔相同的N个工作温度，将每个工作温度代入预设变温率下升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、预设变温率下降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式，得到预设变温率下升温时每个工作温度对应的陀螺零偏、降温时每个工作温度对应的陀螺零偏，从而建立预设变温率下零偏升温模型表及降温模型表。

所述零偏升温模型表及降温模型表中包括全温范围内各温度点对应的零偏值。温度间隔设为

时，模型表中零偏值个数为

S2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值和降温零偏值；具体方法为：

S2.1、获取被测光纤陀螺当前时刻及其之前一段预设时间内的平均环境温度作为当前温度；

S2.2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取与当前温度最接近温度对应的陀螺零偏值，作为当前温度对应的陀螺零偏值。

S3、被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值、降温零偏值和当前温变率，计算当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重；

零偏升温模型权重Q₊计算公式为：

所述零偏降温模型权重Q_-计算公式为：

其中，T_k+为预设升温温变率，T_k-为预设降温温变率；ΔT为当前温变率。所述前温变率ΔT通过当前温度与当前温度上一预设时间段内平均温度之差计算得到。

作为优选方案，所述步骤S3中进行权重计算当前温变率ΔT进行限幅判断与处理：

当ΔT<T_k-时，令ΔT＝T_k-；

此时零偏升温模型权重Q₊和降温模型权重Q_-分别为：

Q₊＝0

Q_-＝1

当ΔT>T_k+时，令ΔT＝T_k+。

此时零偏升温模型权重Q₊和降温模型权重Q_-分别为：

Q₊＝1

Q_-＝0。

S4、根据步骤S3中计算得到的当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重，对步骤S2得到的当前温度所对应的升温零偏值和降温零偏值进行加权运算，最终得到光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值。

步骤S4中光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值计算公式为：

D_G＝Q₊×D_G++Q_-×D_G-

其中，D_G为加权运算后得到零偏值，D_G+为当前环境温度对应的升温模型表中零偏值，D_G-为当前环境温度对应的降温模型表中零偏值。

特别的，当ΔT<T_k-时，Q₊＝0，Q_-＝1，此时步骤(5)所述陀螺零偏补偿值为：

D_G＝D_G-

即此时陀螺零偏补偿值为当前温度T对应降温模型表中零偏值。

特别的，当ΔT>T_k+时，Q₊＝1，Q_-＝0，此时步骤(5)所述陀螺零偏补偿值为：

D_G＝D_G+

即此时陀螺零偏补偿值为当前时间段温度T对应升温模型表中零偏值。

实施例：

本发明提供了一种基于升降温模型加权算法的光纤陀螺零偏建模及补偿方法实施例，实现过程见图1所示，补偿算法见图2所示，包括以下五个步骤：

步骤101：在光纤陀螺全温工作范围内，开展一次升温及降温建模试验。例如，光纤陀螺的全温工作范围为-30℃至+60℃，即设置最低工作温度t_min＝-30℃、最高工作温度t_max＝+60℃，然后按照升温温变率T_k+＝4℃/h和降温温变率T_k-＝-4℃/h，开展一次温度建模试验。

步骤102：采用多项式拟合的方式，分别对步骤101中升温段建模数据和降温段建模数据进行处理，建立并拟合出陀螺零位与温度的对应曲线和公式，然后每隔0.5℃、将-30℃～+60℃依次带入上述公式，最终得到完整的零偏升温模型表及降温模型表。由于温度间隔

因此升、降温模型表中零偏值个数均为

将模型表烧写至存储器中供使用时查询。

步骤103：使用时，根据当前温度T，查表得到该温度对应零偏值。例如，当前光纤陀螺温度为-5.5℃，通过查表，可以得到该温度对应升温模型表中零偏值D_G+及降温模型表中零偏值D_G-。

步骤104：根据当前温度与上一时间段温度之差ΔT(当前温变率)，计算得到零偏升、降温模型加权权重。此时，根据ΔT与T_k+和T_k-的关系，分为以下三种情况：

(1)当ΔT<T_k-时，比如ΔT＝-4.75℃/h，则令ΔT＝T_k-＝-4℃/h，此时零偏升温模型权重Q₊和降温模型权重Q_-分别为：

Q₊＝0

Q_-＝1

(2)当ΔT>T_k+时，比如ΔT＝5.13℃/h，令ΔT＝T_k+＝4℃/h，此时零偏升温模型权重Q₊和降温模型权重Q_-分别为：

Q₊＝1

Q_-＝0

(3)当T_k-≤ΔT≤T_k+时，比如ΔT＝2.87℃/h，此时零偏升温模型权重Q₊和降温模型权重Q_-分别为：

步骤105：根据步骤104加权权重，对步骤103零偏值进行加权运算，最终得到光纤陀螺在任一温度点、任一变温趋势和任一温变率下陀螺零偏补偿值。根据步骤104中ΔT与T_k+和T_k-的关系，对应以下三种情况：

(1)当ΔT<T_k-时，比如ΔT＝-4.75℃/h，此时Q₊＝0，Q_-＝1，因此陀螺零偏补偿值D_G为：

D_G＝D_G-

即此时陀螺零偏补偿值为当前温度T对应降温模型表中零偏值D_G-。

(2)当ΔT>T_k+时，比如ΔT＝5.13℃/h，此时Q₊＝1，Q_-＝0，因此陀螺零偏补偿值D_G为：

D_G＝D_G+

即此时陀螺零偏补偿值为当前温度T对应升温模型表中零偏值D_G+。

(3)当T_k-≤ΔT≤T_k+时，比如ΔT＝2.87℃/h，此时

因此陀螺零偏补偿值D_G为：

以上所述仅为本发明的一个实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未进行详细描述部分属于公知常识。

Claims (8)

1.一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、获取预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表，所述零偏升温模型表包括按照预设升温温变率升温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏；所述零偏降温模型表包括按照预设降温温变率降温时光纤陀螺全温工作范围内固定间隔的多个工作温度及其对应的陀螺零偏；

S2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值和降温零偏值；

S3、被测光纤陀螺当前环境温度所对应的升温零偏值、降温零偏值和当前温变率，计算当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重；

S4、根据步骤S3中计算得到的当前温度所对应的零偏升温模型权重、零偏降温模型权重，对步骤S2得到的当前温度所对应的升温零偏值和降温零偏值进行加权运算，最终得到光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述步骤S1预设温变率下的零偏升温模型表及零偏降温模型表通过如下方法建立：

S1.1、在光纤陀螺全温工作范围内，分别开展升温试验和降温试验，获取预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值；

S1.2、对步骤S1中获取的预设变温率下升温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值和降温时不同温度对应的光纤陀螺零偏值，进行数值拟合，得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式；

S1.3、将全温工作范围分成间隔相同的N个工作温度，将每个工作温度代入预设变温率下升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、预设变温率下降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式，得到预设变温率下升温时每个工作温度对应的陀螺零偏、降温时每个工作温度对应的陀螺零偏，从而建立预设变温率下零偏升温模型表及降温模型表。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述步骤S1.2采用多项式拟合、神经网络方法得到升温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式、降温时陀螺零偏与温度的对应关系曲线或者公式。

4.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述步骤S2的具体方法为：

S2.1、获取被测光纤陀螺当前时刻及其之前一段预设时间内的平均环境温度作为当前温度；

S2.2、查询零偏升温模型表和零偏降温模型表，获取与当前温度最接近温度对应的陀螺零偏值，作为当前温度对应的陀螺零偏值。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述步骤S3中：

零偏升温模型权重Q₊计算公式为：

所述零偏降温模型权重Q_-计算公式为：

其中，T_k+为预设升温温变率，T_k-为预设降温温变率；ΔT为当前温变率。

6.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述当前温变率ΔT通过当前温度与当前温度上一预设时间段内平均温度之差计算得到。

7.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于所述步骤S3中进行权重计算当前温变率ΔT进行限幅判断与处理：

当ΔT<T_k-时，令ΔT＝T_k-；当ΔT>T_k+时，令ΔT＝T_k+。

8.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺零偏确定方法，其特征在于步骤S4中光纤陀螺在当前环境温度和温变率下的陀螺零偏值计算公式为：

D_G＝Q₊×D_G++Q_-×D_G-

其中，D_G为加权运算后得到零偏值，D_G+为当前环境温度对应的升温模型表中零偏值，D_G-为当前环境温度对应的降温模型表中零偏值。

Images