CN114018235A - 一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，包括：在地面测试状态下，将惯性测量单元放置在地面温箱内；设置多个温度区间、角速度采样区间；获得每个温度采样点对应所有角速度采样点的刻度因数，并确定一个标称刻度因数；确定理论脉冲输出；进行温度补偿；进行角速度补偿。本发明直接利用大量程光纤陀螺的脉冲输出，进行全温全动态的脉冲补偿，可显著提高其测量和导航的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，属于惯导技术领域。
背景技术
我国首次火星探测任务中，为适应着陆过程中的各种大动态环境，使用了大量程的光纤陀螺。一般情况下，光纤陀螺的量程越大，其测量精度会相应的降低。针对火星着陆过程中温度变化大、动态范围大的情况，从系统设计上需采取一定的补偿措施来提高其测量和导航的精度。
专利文献CN201811237609.5公开了一种新型光纤陀螺仪温度补偿方法，主要是通过在光纤陀螺仪环仓底部粘贴温度传感器，采集温度后通过计算得到温度补偿模型。专利文献CN201710202703.6公开了一种闭环光纤陀螺温度补偿方法，利用闭环光纤陀螺Y波导半波电压变化与温度变化成近似线性关系，以Y波导半波电压替代温度信息对闭环光纤陀螺进行温度补偿，实现无温度传感器的闭环光纤陀螺的温度补偿。专利文献CN201110103504.2公开了一种高精度光纤陀螺带温度补偿的信号检测方法及装置，通过分析光纤陀螺输出数据与温度的关系，以及采用自适应信号重构原理根据温度模型重构光纤陀螺输出数据。专利文献CN201010101009.3公开了一种光纤陀螺温度补偿的方法，通过对光纤陀螺进行温度值测量并采集，将所述温度值带入光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴的角速度修正运算，求得所述各轴的角速度修正值，根据所述各轴的角速度修正值计算出光纤陀螺X轴、Y轴和Z轴各自的温度补偿值。“大动态光纤陀螺标度因数双线性插值补偿模型”文献中公开了一种针对光纤陀螺刻度因数的补偿方法，分析了刻度因数的温度特性和非线性是影响大动态光纤陀螺精度的重要因素，建立了一种基于双线性插值的补偿模型，对大动态光纤陀螺的标度因数的温度特性和非线性进行综合补偿。
从公开的专利文献中看出，光纤陀螺的补偿方式主要是针对产品内部的温度补偿，对大量程光纤陀螺的补偿也只是对刻度因数的补偿，未见直接根据陀螺的真实脉冲输出，在系统使用上同时对大量程光纤陀螺进行温度和角速度的补偿，提高其测量和导航的精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，解决了光纤陀螺在温度变化大、动态范围大的情况下测量精度差的问题，通过对光纤陀螺输出脉冲进行补偿，在使用上大大提高了测量和导航的精度。
本发明的技术方案：
一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，包括步骤如下：
1)在地面测试状态下，将光纤陀螺仪或包含有光纤陀螺仪的惯性测量单元放置在地面温箱内；
2)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的温度取值范围，以h1为步长，获得m个温度采样点，将温度采样点由小至大依次编号处理，i∈[1,m]；第i个温度值表示为T(i)；获得m-1个温度区间；
3)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的角速度取值范围，以h2为步长，获得n个角速度采样点，将角速度采样点由小至大依次编号处理，j∈[1,n]；第j个角速度值表示为ω(j)；获得n-1个角速度采样区间；
4)任意选取一个温度采样点，获得该温度采样点下n个角速度采样点对应的刻度因数；
5)重复步骤4)m次，分别获得每个温度采样点对应所有角速度采样点的刻度因数，作为刻度因数序列K(i,j)；
6)根据刻度因数序列K(i,j)中的所有刻度因数，进行拟合处理，获得标称刻度因数Ks；
7)根据刻度因数序列K(i,j)，并根据光纤陀螺仪的零偏b0，确定温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出P(i,j)，获得(m-1)*(n-1)个理论脉冲区间；
8)在轨飞行状态下，采集t时刻光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)和光纤环的温度T(t)，判读光纤环的温度T(t)所属的第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，k∈[1,m-1]；
9)根据第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，确定光纤环温度为T(t)时，确定n个角速度ω(j)分别对应的脉冲数P(T,j)；
10)采集当前采样周期内光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)，判读实时输出的脉冲数P(t)是否属于唯一的第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]；若是则进入步骤11)；反之，则进入步骤12)；
11)根据第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]，根据实时输出的脉冲数P(t)；确定补偿后的角速度ω(t)并作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法；
12)在实时输出的脉冲数P(t)属于多个理论脉冲区间的情况下，分别计算每个理论脉冲区间对应的补偿后的角速度ω(t)；并进入步骤13)；
13)根据标称刻度因数，计算近似角速度
14)选取步骤12)获得的补偿后的角速度中最接近近似角速度的值作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明充分利用地面全温全动态范围内的标定数据和在轨光纤陀螺的通信数据，从系统使用上直接对光纤陀螺的脉冲输出进行补偿，大大提高了导航的精度。
2)本发明设计简单可靠，适用于工程应用，已成功应用于我国首次火星探测任务。
附图说明
图1为本发明使用方法流程图。
具体实施方式
本发明一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，包括步骤如下：
刻度因数标定方法
1)在地面测试状态下，将光纤陀螺仪或包含有光纤陀螺仪的惯性测量单元放置在地面温箱内；
地面温箱的温度可调范围为-100℃～100℃。
2)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的温度取值范围，以h1为步长，获得m个温度采样点，将温度采样点由小至大依次编号处理，i∈[1,m]；第i个温度值表示为T(i)；获得m-1个温度区间；
h1的取值范围由产品对于温度的敏感度决定；
3)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的角速度取值范围，以h2为步长，获得n个角速度采样点，将角速度采样点由小至大依次编号处理，j∈[1,n]；第j个角速度值表示为ω(j)；获得n-1个角速度采样区间；
h2的取值范围由产品对于角速度的敏感度决定。
4)任意选取一个温度采样点，获得该温度采样点下n个角速度采样点对应的刻度因数；
5)重复步骤4)m次，分别获得每个温度采样点对应所有角速度采样点的刻度因数，作为刻度因数序列K(i,j)；
6)根据刻度因数序列K(i,j)中的所有刻度因数，利用最小二乘算法进行拟合处理，获得标称刻度因数Ks；
补偿方法
7)根据刻度因数序列K(i,j)，并根据陀螺的零偏b0，确定温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出P(i,j)，获得(m-1)*(n-1)个理论脉冲区间；
光纤陀螺仪的零偏b0根据在轨标定获得。
步骤7)所述确定温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出P(i,j)的方法，具体为：
P(i,j)＝K(i,j)·(ω(j)+b0)·δt；
其中，δt为在轨使用时，光纤陀螺仪脉冲采样周期。
8)在轨飞行状态下，采集t时刻光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)和光纤环的温度T(t)，判读光纤环的温度T(t)所属的第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，k∈[1,m-1]；
9)根据第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，确定光纤环温度为T(t)时，确定n个角速度ω(j)分别对应的脉冲数P(T,j)，具体为：
10)采集当前采样周期内光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)，判读实时输出的脉冲数P(t)是否属于唯一的第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]；若是则进入步骤11)；反之，则进入步骤12)；
11)根据第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]，根据实时输出的脉冲数P(t)；确定补偿后的角速度ω(t)并作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法；
步骤11)具体为：
12)在实时输出的脉冲数P(t)属于多个理论脉冲区间的情况下，分别计算每个理论脉冲区间对应的补偿后的角速度ω(t)；并进入步骤13)；
13)根据标称刻度因数计算近似角速度
14)选取步骤12)获得的补偿后的角速度中最接近近似角速度的值作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
一种地面标定数据支持要求，要求在覆盖大量程光纤陀螺全温度、全角速度使用范围内，通过地面温箱试验对光纤陀螺进行标定，获取不同温度、不同角速度下的刻度因数，具体数据支持要求如下：
1)设置温度点10个，角速度点20个，按从小到大顺序排列，第i个温度值表示为T(i)(i＝1～10)，第j个角速度值表示为ω(j)(j＝1～20)，对应的刻度因数为K(i,j)。
2)利用标定数据，通过最小二乘算法拟合所有条件下的刻度因数，得到一个标称的刻度因数，记为Ks。
如图1所示，一种标定数据系统使用方法，利用星载计算机与光纤陀螺之间的通信数据，进行全温全动态脉冲补偿，具体包括步骤如下：
1)星载计算机与陀螺产品(或惯性测量单元中的陀螺组件)通讯，获取每个采样周期陀螺输出的脉冲数P(t)和陀螺光纤环的温度T(t)，采样周期为δt；
2)通过在轨陀螺零偏标定，可得到指定陀螺的零偏为b0，那么在温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出为
P(i,j)＝K(i,j)·(ω(j)+b0)·δt
3)根据实时采集的光纤环温度T(t)，判断其处于的区间为[T(k),T(k+1)]，k为某地面标定温度测试点，那么在光纤环温度为T(t)时，不同角速度ω(j)对应的脉冲数为
4)根据实时采集的一个采样周期δt内陀螺输出的脉冲数P(t)，判断其处于的区间为[P(T,l),P(T,l+1)]，那么实际角速度为
5)若脉冲数P(t)所处区间不唯一，则根据标称刻度因数计算近似角速度
选取与近似角速度最接近的角速度为实际角速度ω(t)，该角速度可直接用于导航计算。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)在地面测试状态下，将光纤陀螺仪或包含有光纤陀螺仪的惯性测量单元放置在地面温箱内；
2)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的温度取值范围，以h1为步长，获得m个温度采样点，将温度采样点由小至大依次编号处理，i∈[1,m]；第i个温度值表示为T(i)；获得m-1个温度区间；
3)根据光纤陀螺仪在轨飞行过程中的角速度取值范围，以h2为步长，获得n个角速度采样点，将角速度采样点由小至大依次编号处理，j∈[1,n]；第j个角速度值表示为ω(j)；获得n-1个角速度采样区间；
4)任意选取一个温度采样点，获得该温度采样点下n个角速度采样点对应的刻度因数；
5)重复步骤4)m次，分别获得每个温度采样点对应所有角速度采样点的刻度因数，作为刻度因数序列K(i,j)；
6)根据刻度因数序列K(i,j)中的所有刻度因数，进行拟合处理，获得标称刻度因数Ks；
7)根据刻度因数序列K(i,j)，并根据光纤陀螺仪的零偏b0，确定温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出P(i,j)，获得(m-1)*(n-1)个理论脉冲区间；
8)在轨飞行状态下，采集t时刻光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)和光纤环的温度T(t)，判读光纤环的温度T(t)所属的第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，k∈[1,m-1]；
9)根据第k个温度区间[T(k),T(k+1)]，确定光纤环温度为T(t)时，确定n个角速度ω(j)分别对应的脉冲数P(T,j)；
10)采集当前采样周期内光纤陀螺仪实时输出的脉冲数P(t)，判读实时输出的脉冲数P(t)是否属于唯一的第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]；若是则进入步骤11)；反之，则进入步骤12)；
11)根据第l个理论脉冲区间[P(T,l),P(T,l+1)]，根据实时输出的脉冲数P(t)；确定补偿后的角速度ω(t)并作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法；
12)在实时输出的脉冲数P(t)属于多个理论脉冲区间的情况下，分别计算每个理论脉冲区间对应的补偿后的角速度ω(t)；并进入步骤13)；
13)根据标称刻度因数，计算近似角速度
14)选取步骤12)获得的补偿后的角速度中最接近近似角速度的值作为光纤陀螺仪敏感到的实际角速度，用于导航计算，完成补偿方法。
2.根据权利要求1所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤2)中h1的取值范围由产品对于温度的敏感度决定。
3.根据权利要求1所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤3)中h2的取值范围由产品对于角速度的敏感度决定。
4.根据权利要求1所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤7)中光纤陀螺仪的零偏b0根据在轨标定获得。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤7)中所述确定温度点T(i)和角速度点ω(j)的理论脉冲输出P(i,j)的方法，具体为：
P(i,j)＝K(i,j)·(ω(j)+b0)·δt；
其中，δt为在轨使用时，光纤陀螺仪脉冲采样周期。
6.根据权利要求5所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤9)中光纤环温度为T(t)时，确定n个角速度ω(j)分别对应的脉冲数P(T,j)，具体为：
7.根据权利要求6所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤11)中确定补偿后的角速度ω(t)的方法，具体为：
8.根据权利要求7所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤13)中计算近似角速度
具体为：
9.根据权利要求7所述的一种大量程光纤陀螺全温全动态脉冲补偿方法，其特征在于，步骤1)中地面温箱的温度可调范围为-100℃～100℃。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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