CN115031759A - 基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法、可读存储介质及电子设备 - Google Patents

基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法、可读存储介质及电子设备 Download PDF

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CN115031759A CN202210181348.XA CN202210181348A CN115031759A CN 115031759 A CN115031759 A CN 115031759A CN 202210181348 A CN202210181348 A CN 202210181348A CN 115031759 A CN115031759 A CN 115031759A
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Abstract

基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法、可读存储介质及电子设备。涉及航空航天技术领域，尤其涉及光纤陀螺仪在轨测量技术。为了解决现有技术中陀螺在轨测量精度评估方法计算结果准确度较差、操作步骤复杂且对技术人员经验要求较高的问题，提供一种基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，包括：S1、计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递方式；S2、利用惯性空间任务数据求飞轮转速噪声；S3、基于等效噪声带宽法的在轨陀螺噪声提取。还提供了一种计算机可读存储介质和电子设备。本发明适用于对陀螺单机在轨性能进行考核，且可以为后续陀螺选型提供依据。

Description

基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法、可读存 储介质及电子设备
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及光纤陀螺仪在轨测量技术。
背景技术
光纤陀螺仪是卫星进行姿态角速度测量和姿态角位置测量的重要敏感部件，其主要负责测量卫星自身的姿态变化情况，再实时传输相应数据，确保卫星按预定轨迹飞行，并保持姿态的稳定。作为卫星姿态控制系统的重要部件，光纤陀螺仪的性能指标影响着系统的姿态稳定度和姿态确定精度，影响光纤陀螺测量精度的误差源主要分为系统误差和随机误差，系统误差包括零偏常值误差和零偏漂移误差，系统误差可通过在轨估计补偿；随机误差主要包括随机游走噪声和量化噪声，而量化噪声比例很小。因此，真正影响光纤陀螺测量精度的主要是陀螺的随机游走噪声，这些噪声表现为陀螺输出的角速率白噪声，以下简称陀螺噪声。若计算出陀螺噪声便可以作为评估光纤陀螺的测量性能的重要指标。
卫星发射入轨后光纤陀螺仪的陀螺噪声和星体自身姿态抖动(姿态稳定度)、光纤陀螺仪测量输出噪音三者互相耦合，所以如何从已有的测量数据中剥离卫星自身姿态抖动，进而完成对在轨的光纤陀螺仪单机性能的评估一直困扰着相关技术人员。目前对陀螺单机性能评价几乎都是在地面对单机进行独立测试完成，并不能代表单机在轨运行环境下的实际测量精度，仅专利 202110721252.3(公开日2021年9月21日)中提出一种陀螺在轨精度评价方法和系统，其采用的方法需对陀螺数据进行滤波后多次拟合用于代替平台(宇航星/船)的运动信息，再将陀螺数据减去平台运动信息得到陀螺数据信息，最后进行输出处理。该方法一方面由于滤波和多次拟合过程会引入计算误差，导致计算结果准确度较差；另一方面需要若干陀螺在轨数据，重复进行拟合操作，其步骤十分复杂，对技术人员经验要求较高。
发明内容
为了解决现有技术中陀螺在轨测量精度评估方法计算结果准确度较差、操作步骤复杂且对技术人员经验要求较高的问题，本发明提出了一种基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，具体包括以下步骤：
S1、根据卫星姿态控制系统在惯性空间任务中采用陀螺角速度积分定姿时的陀螺噪声传递路径，计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的传递功率；
S2、利用惯性空间任务的控制力矩指令和飞轮遥测转速，计算飞轮转速噪声；
S3、基于等效噪声带宽法的在轨陀螺噪声提取。
优选地，步骤S1所述陀螺噪声传递功率的计算包括以下步骤：
S11、计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声功率传输函数；
S12、将步骤S11获得的所述陀螺噪声功率传输函数等效为一个理想系统功率传输函数，计算等效噪声功率传输函数；
S13、根据步骤S12得到的等效噪声功率传输函数计算陀螺噪声经过系统后的平均功率。
优选地，步骤S11中所述的陀螺噪声功率传输函数是通过如下方式获得的：
首先确定陀螺角速度积分定姿时从陀螺测量噪声到星体角速度的闭环传函：
Figure BDA0003521141620000031
其中，D为卫星姿态控制系统微分系数，P为比例系数，s为拉普拉斯算子；
根据所述闭环传函获得陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递的功率传输函数：
Hint2b(w)＝φint 2
优选地，步骤S12中所述等效噪声功率传输函数是通过如下方式获取的：
对Hint2b(w)求导得到理想系统的中心频率：
Figure BDA0003521141620000032
将所述中心频率带入Hint2b(w)中可得到等效传输幅值Hint2b(w0)；
根据所述等效传输幅值计算理想系统等效噪声带宽：
Figure BDA0003521141620000033
计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的等效噪声功率传输函数：
Figure BDA0003521141620000034
优选地，步骤S13中所述陀螺噪声经过系统后的平均功率通过如下公式获得：
Figure BDA0003521141620000035
其中，Δws为系统奈奎斯特频率。对于零均值数据，数据平均功率与方差相等。
优选地，所述步骤S2中所述飞轮转速噪声的计算，具体是将系统计算的控制力矩指令进行积分得到发送给飞轮的指令转速，用飞轮实际遥测转速减去指令转速，得到飞轮转速噪声。
优选地，所述步骤S3中所述在轨陀螺噪声的提取方式如下：
Rgyro(0)＝Rg2b(0)+Rf2b(0)+Rgn(0)，
其中，Rgyro(0)＝Dgyro为陀螺输出数据(包含星体抖动和陀螺噪声)的平均功率，Rgn(0)＝Dgn为陀螺噪声的平均功率，Rf2b(0)为按照角动量守恒方法计算得到飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率；
最终计算获得陀螺噪声的方差：
Figure BDA0003521141620000041
优选地，所述飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率是按照角动量守恒方法获得的，具体公式如下：
Figure BDA0003521141620000042
其中，Df表示飞轮转速噪声的方差。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如权利要求1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放发计算机程序时，实现如权利要求1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
本发明解决了现有技术陀螺在轨测量精度评估方法计算结果准确度较差、操作步骤复杂且对操作人员经验要求较高的问题，具体有益效果为：
1.本发明采用等效噪声带宽法结合卫星对惯性空间稳定成像姿态特点，比起现有技术评估手段需要反复拟合会引入误差，本发明采用一组数据就可以一次性准确完成对光纤陀螺随机测量噪声的提取，对陀螺实际在轨性能的评估和陀螺性能的改进工作具有重要指导意义；
2.本发明提供的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，剥离了平台抖动对陀螺噪声计算的影响，可以有效的评估陀螺在轨工作状态，该方法操作简单，易于实现，能够应用于工程实际中。
本发明适用于对陀螺单机在轨性能进行考核，且可以为后续陀螺选型提供依据。
附图说明
图1为各噪声源对卫星姿态控制系统稳定度影响的原理框图；
图2为惯性空间任务过程采用陀螺积分定姿时陀螺噪声传递原理框图；
图3实施例11所述陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声等效噪声带宽功率传输示意图；
图4为实施例11所述惯性空间任务过程采用陀螺积分定姿时陀螺噪声和飞轮转速噪声传递路径示意图；
图5为实施例11中得到的飞轮转速噪声曲线；
图6为实施例11中计算输出的陀螺噪声数据与实际陀螺在轨数据对比曲线；
图7为实施例12中得到的飞轮转速噪声曲线；
图8为实施例12中计算输出的陀螺噪声数据与实际陀螺在轨数据对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步阐述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明技术方案，而不应理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1.
本实施例提供了一种基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，包括以下步骤：
S1、根据卫星姿态控制系统在惯性空间任务中采用陀螺角速度积分定姿时的陀螺噪声传递路径，计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的传递功率；
S2、利用惯性空间任务的控制力矩指令和飞轮遥测转速，计算飞轮转速噪声；
S3、基于等效噪声带宽法的在轨陀螺噪声提取。
实施例2.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，其中步骤S1所述陀螺噪声传递功率的计算包括以下步骤：
S11、计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声功率传输函数；
S12、将步骤S11获得的所述陀螺噪声功率传输函数等效为一个理想系统功率传输函数，计算等效噪声功率传输函数；
S13、根据步骤S12得到的等效噪声功率传输函数计算陀螺噪声经过系统后的平均功率。
想要计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递功率，首先要明确空间任务陀螺噪声传递路径。对于卫星姿态控制系统而言，各噪声源对卫星姿态控制系统稳定度影响的原理框图如图1所示，可以看出影响系统稳定度的噪声包括姿态星敏测量噪声ns、陀螺噪声ng、飞轮转速噪声nf、期望位置输入噪声nΘ和期望速度输入噪声nw，各个噪声源在特定的位置作用卫星，通过星体影响到系统稳定度，卫星姿态控制系统通过PD控制器构成控制闭环，Kp、Kd为控制系统控制器参数，与卫星转动惯量I成比例，由于飞轮时间常数很小，在分析时可以忽略飞轮传函Gf的影响。
卫星在对惯性空间稳定成像时，系统的期望位置输入和期望速度输入恒为零，不存在期望位置输入噪声nΘ和期望速度输入噪声nw。当卫星姿态控制系统采用陀螺角速度积分方式定姿时，系统姿态测量和角速度测量都采用光纤陀螺，从而可以排除姿态星敏测量噪声ns对系统的影响。
综上，惯性空间任务过程采用陀螺积分定姿时陀螺噪声传递原理框图如图2所示，影响系统稳定度的只有陀螺噪声ng和飞轮转速噪声nf。根据以上信息，可以计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声功率传输函数。
实施例3.
本实施例为对实施例2的进一步举例说明，其中步骤S11中所述的陀螺噪声功率传输函数是通过如下方式获得的：
首先确定陀螺角速度积分定姿时从陀螺测量噪声到星体角速度的闭环传函：
Figure BDA0003521141620000071
其中，D为卫星姿态控制系统微分系数，P为比例系数，s为拉普拉斯算子；
根据所述闭环传函获得陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递的功率传输函数：
Hint2b(w)＝φint 2。
实施例4.
本实施例为对实施例2的进一步举例说明，其中步骤S12中所述等效噪声功率传输函数是通过如下方式获取的：
对Hint2b(w)求导得到理想系统的中心频率：
Figure BDA0003521141620000081
将所述中心频率带入Hint2b(w)中可得到等效传输幅值Hint2b(w0)；
根据所述等效传输幅值计算理想系统等效噪声带宽：
Figure BDA0003521141620000082
计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的等效噪声功率传输函数：
Figure BDA0003521141620000083
本实施例获得的等效噪声功率传输函数，反映了用陀螺积分定姿时陀螺噪声能有多少通过姿态控制系统最终影响系统稳定度。
实施例5.
本实施例为对实施例2的进一步举例说明，其中步骤S13中所述陀螺噪声经过系统后的平均功率通过如下公式获得：
Figure BDA0003521141620000084
其中，Δws为系统奈奎斯特频率。
实施例6.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，其中步骤S2中所述飞轮转速噪声的计算，具体是将系统计算的控制力矩指令进行积分得到发送给飞轮的指令转速，用飞轮实际遥测转速减去指令转速，获得飞轮转速噪声。
实施例7.
本实施例为对实施例1的进一步举例说明，其中所述步骤S3中所述在轨陀螺噪声的提取方式如下：
Rgyro(0)＝Rg2b(0)+Rf2b(0)+Rgn(0)，
其中，Rgyro(0)＝Dgyro为陀螺输出数据(包含星体抖动和陀螺噪声)的平均功率，Rgn(0)＝Dgn为陀螺噪声的平均功率，Rf2b(0)为按照角动量守恒方法计算得到的飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率；
最终计算获得陀螺噪声的方差：
Figure BDA0003521141620000091
本实施例最终计算获得的陀螺噪声，剥离了平台姿态抖动的影响，获取方法简单，可有效评估陀螺在轨工作状态。
实施例8.
本实施例为对实施例7的进一步举例说明，所述飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率是按照角动量守恒方法获得的，具体公式如下：
Figure BDA0003521141620000092
其中，Df表示飞轮转速噪声的方差，If为飞轮转动惯量，Ib为星体对应轴向的转动惯量。
实施例9.
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如实施例1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
实施例10.
本实施例提供了一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放发计算机程序时，实现如实施例 1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
实施例11.
本实施例以某型号系列卫星控制器参数为输入，首先确定陀螺角速度积分定姿时从陀螺测量噪声到星体角速度的闭环传函
Figure BDA0003521141620000101
对其进行平方得到陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递的功率传输函数Hint2b(w)，对 Hint2b(w)求导得到理想系统的中心频率w0为0.0283Hz，将所述中心频率带入 Hint2b(w)中可得到等效传输幅值Hint2b(w0)等于1.1784，根据Hint2b(w0)计算理想系统等效噪声带宽Δweint等于0.1863Hz。在陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声等效噪声带宽功率传输示意图见图3，当采用陀螺积分定姿时陀螺噪声中低于 0.1863Hz的低频噪声被放大1.1784倍作用到系统输出，而大于此频率范围的噪声信号则被系统抑制掉。经过如此简化后，惯性空间任务过程采用陀螺积分定姿时陀螺噪声和飞轮转速噪声传递路径示意图如图4所示。
选择该型号系列卫星的第一颗卫星的Z轴为分析对象，对其惯性空间任务过程在轨数据进行处理。图5为飞轮遥测转速和力矩积分转速做差得到的飞轮转速噪声曲线，通过计算得到飞轮转速噪声方差为0.0030795(rpm2)，标准差(3б)为0.16648rpm。计算结果与地面单机验收测试结果基本一致。以上可以证明本实施例所述的飞轮转速噪声获取方法是能够实现的，并且计算步骤简单，计算准确度较高。
利用本实施例所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法得到陀螺单机噪声方差为1.2117e×10-8(°/s)2、标准差(3б)为0.00033024°/s。图6为本实施例计算输出的陀螺噪声数据与实际陀螺在轨数据对比曲线，图中虚线为陀螺遥测数据的拟合残差，实线为用以上方法得到的陀螺方差值模拟的陀螺噪声曲线，可见陀螺拟合残差中主要为陀螺的噪声。
本实施例中使用的该轴向陀螺地面实测数据的游走测量值为 0.003°/sqrt(h)，根据转换公式可以得到陀螺地面测试数据的噪声标准差(3б) 为0.0003°/s，与以上方结果基本一致。证明本实施例所述的获取方法是能够实现的，并且能够剥离平台抖动对陀螺噪声计算的影响，有效的评估陀螺在轨工作状态，与现有技术相比其计算步骤简单，且计算准确度较高，能够应用于工程实际中。
实施例12.
选择实施例11所述系列卫星的第二颗卫星的Z轴为分析对象，对其惯性空间任务过程在轨数据进行处理。图7为本实施例得到的飞轮转速噪声曲线，计算得到飞轮噪声的平均功率(方差)为0.0027(rpm2)，标准差(3б)为 0.156rpm。飞轮的地面测试数据显示，在全转速段内飞轮角动量偏差最大值为0.007Nms，根据标称转速和角动量关系3100rpm/15Nms，可以换算出飞轮地面测试转速精度为0.15rpm(3б)，与以上结果基本一致。以上可以证明本实施例所述的飞轮转速噪声获取方法是能够实现的，并且计算步骤简单，计算准确度较高。
利用本实施例所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法得到陀螺单机自身的噪声方差为6.7959×10-10(°/s)2、标准差(3б)为 7.8207×10-5°/s。图8为本实施例计算输出的陀螺噪声数据与实际陀螺在轨数据对比曲线，图中虚线为陀螺遥测数据的拟合残差，实线为用以上方法得到的陀螺方差值模拟的陀螺噪声曲线，可见陀螺拟合残差中主要为陀螺的噪声。本实施例中使用的该轴向陀螺地面实测数据的游走测量值为0.0008°/sqrt(h)，根据转换公式可以得到陀螺地面测试数据的噪声标准差(3б)为8.0×10-5°/s，与以上结果基本一致。证明本实施例所述的获取方法是能够实现的，并且能够剥离平台抖动对陀螺噪声计算的影响，有效的评估陀螺在轨工作状态，与现有技术相比其计算步骤简单，且计算准确度较高，能够应用于工程实际中。

Claims (10)

1.一种基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据卫星姿态控制系统在惯性空间任务中采用陀螺角速度积分定姿时的陀螺噪声传递路径，计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的传递功率；
S2、利用惯性空间任务的控制力矩指令和飞轮遥测转速，计算飞轮转速噪声；
S3、基于等效噪声带宽法的在轨陀螺噪声提取。
2.根据权利要求1所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，步骤S1所述陀螺噪声传递功率的计算包括以下步骤：
S11、计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声功率传输函数；
S12、将步骤S11获得的所述陀螺噪声功率传输函数等效为一个理想系统功率传输函数，计算等效噪声功率传输函数；
S13、根据步骤S12得到的等效噪声功率传输函数计算陀螺噪声经过系统后的平均功率。
3.根据权利要求2所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，步骤S11中所述的陀螺噪声功率传输函数是通过如下方式获得的：
首先确定陀螺角速度积分定姿时从陀螺测量噪声到星体角速度的闭环传函：
Figure FDA0003521141610000011
其中，D为卫星姿态控制系统微分系数，P为比例系数，s为拉普拉斯算子；
根据所述闭环传函获得陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声传递的功率传输函数：
Hint2b(w)＝φint 2。
4.根据权利要求2所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，步骤S12中所述等效噪声功率传输函数是通过如下方式获取的：
对Hint2b(w)求导得到理想系统的中心频率：
Figure FDA0003521141610000021
将所述中心频率带入Hint2b(w)中可得到等效传输幅值Hint2b(w0)；
根据所述等效传输幅值计算理想系统等效噪声带宽：
Figure FDA0003521141610000022
计算陀螺角速度积分定姿时陀螺噪声的等效噪声功率传输函数：
Figure FDA0003521141610000023
5.根据权利要求2所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，步骤S13中所述陀螺噪声经过系统后的平均功率通过如下公式获得：
Figure FDA0003521141610000024
其中，Δws为系统奈奎斯特频率。
6.根据权利要求1所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，所述步骤S2中所述飞轮转速噪声的计算，具体是将系统计算的控制力矩指令进行积分得到发送给飞轮的指令转速，用飞轮实际遥测转速减去指令转速，获得飞轮转速噪声。
7.根据权利要求1所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，所述步骤S3中所述在轨陀螺噪声的提取方式如下：
Rgyro(0)＝Rg2b(0)+Rf2b(0)+Rgn(0)，
其中，Rgyro(0)＝Dgyro为陀螺输出数据(包含星体抖动和陀螺噪声)的平均功率，Rgn(0)＝Dgn为陀螺噪声的平均功率，Rf2b(0)为飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率；
最终计算获得陀螺噪声的方差：
Figure FDA0003521141610000031
8.根据权利要求7所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法，其特征在于，所述飞轮转速噪声引起姿态抖动的平均功率是按照角动量守恒方法获得的，具体公式如下：
Figure FDA0003521141610000032
其中，Df表示飞轮转速噪声的方差。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序执行如权利要求1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中处理器、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放发计算机程序时，实现如权利要求1-8中任意一项所述的基于等效噪声带宽法的在轨光纤陀螺噪声获取方法。
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