CN115493619A - 一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法和装置，该方法包括：将转台放置在隔振平台上；其中，转台的转动轴ZT与地球的自转轴ZE之间的夹角为θT；将固定工装固定在转台上；其中，转台的台面与固定工装的陀螺安装面之间的安装角度为θW；将光学陀螺固定在固定工装的陀螺安装面上；其中，光学陀螺的旋转轴ZG与转台的转动轴ZT之间的安装角度为θG；控制转台正向或反向变速旋转，获取光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速；根据光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速，计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值。本发明仅需采用标准设备转台即可完成对光学陀螺的精度测量，转台工作在高转速区间，转动精度高、运行平稳。

Description

一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法和装置
技术领域
本发明属于激光陀螺测量技术领域，尤其涉及一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法和装置。
背景技术
光学陀螺基于Sagnac效应，利用环形光路中正反两束激光光程差来计算陀螺转动角速率。光学陀螺中的激光陀螺和闭环光纤陀螺存在闭锁效应，即，当陀螺输入角度比较小时但不为零时，正、反向两束光的输出频差Δv变为零。闭锁阈值是表征这两种光学陀螺这一性能的重要参数。
目前，陀螺闭锁阈值主要测量方法，主要分为以下几类：
1)采用转台直接测量，或基于转台测量结果进行推算；
2)在转台上加装角度控制装置，根据角度的变化曲线拟合得到陀螺阈值。
上述方法存在以下问题：
a)转台的角速率随着转台转动速率的减小而降低，此外当陀螺阈值≤102°/h时，转动不稳定，使得测量准确性和精度。基于此进行推算的结果，可信度也随之降低。
b)在转台上额外加装角度控制装置，由于此装置为非标设备，其精度、稳定性、成本各方面都无法与标准设备相比拟。其次，该方法获得是离散值，如果要获得更密的数据，测试效率就会降低，而且曲线拟合存在一定计算和方法误差。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法和装置，仅需采用标准设备转台即可完成对光学陀螺的精度测量，转台工作在高转速区间，转动精度高、运行平稳。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，包括：
将转台放置在隔振平台上；其中，转台的转动轴ZT与地球的自转轴ZE之间的夹角为θT；
将固定工装固定在转台上；其中，转台的台面与固定工装的陀螺安装面之间的安装角度为θW；
将光学陀螺固定在固定工装的陀螺安装面上；其中，光学陀螺的旋转轴ZG与转台的转动轴ZT之间的安装角度为θG；
控制转台正向或反向变速旋转，获取光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速；
根据光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速，计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，根据光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速，计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值，包括：
确定光学陀螺垂直于旋转轴ZG的转速
Figure BDA0003825955430000021
Figure BDA0003825955430000022
其中，
Figure BDA0003825955430000023
表示转台的转速，
Figure BDA0003825955430000024
表示地球的转速；
Figure BDA0003825955430000025
为常值，令
Figure BDA0003825955430000026
则有：
Figure BDA0003825955430000027
确定光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速
Figure BDA0003825955430000028
将
Figure BDA0003825955430000029
代入下式(2)中，即，令
Figure BDA00038259554300000210
通过式(2)计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值：
Figure BDA00038259554300000211
其中，K表示光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值，当光学陀螺输出信号值为零时，光学陀螺垂直于旋转轴ZG的转速就是光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，还包括：
获取测试地点的纬度θ0；
根据测试地点的纬度θ0，确定θT：
Figure BDA0003825955430000031
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，θG＝θW；其中，θW通过三坐标测量仪或激光干涉测量仪测量得到。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，
Figure BDA0003825955430000032
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，当转台转速达到5×104°/h时，转台精度最高。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，坐标系OT-XTYTZT为转台坐标系；其中，原点OT为转台台面中心，ZT轴为转台转动轴，XT轴指向正西，YT轴根据右手定则确定。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，坐标系OE-XEYEZE为地球坐标系；其中，原点OE位于地心，ZE轴为地球自转轴，指向正北，XE轴指向正西，YE轴根据右手定则确定。
在上述光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法中，坐标系OG-XGYGZG为陀螺坐标系；其中，原点OG为光学陀螺轴心，ZG轴为光学陀螺敏感轴，YG轴指向陀螺阴极方向，XG轴根据右手定则确定。
相应的，本发明还公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量装置，包括：隔振平台、转台和固定工装；
转台放置在隔振平台上；其中，转台的转动轴ZT与地球的自转轴ZE之间的夹角为θT；
固定工装固定在转台上；其中，转台的台面与固定工装的陀螺安装面之间的安装角度为θW；
测量时，光学陀螺固定在固定工装的陀螺安装面上，光学陀螺的旋转轴ZG与转台的转动轴ZT之间的安装角度为θG；控制转台正向或反向变速旋转，获取光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速；根据光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速，计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方案，仅需采用标准设备转台进行陀螺精度测量，转台工作在高转速区间，转动精度高、运行平稳；其测量精度仅受转台高速转动时的转台精度、陀螺安装角度影响，而陀螺角度精度远小于转台精度的量级，尤其适用于陀螺闭锁阈值达到甚至小于102°/h量级的情况。
(2)本发明公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方案，方法简单，采用单轴转台就能满足测量需求，而单轴转台是惯性导航领域常用标准设备，实现成本低。
(3)本发明公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方案，转台工作在高转速区间，陀螺地速和转台安装误差可忽略，测量精度高；陀螺直接固定安装到转台上，陀螺旋转轴与转台转动轴的夹角θG易检测，在大规模生产中，θG仅与陀螺安装面加工误差相关，便于自动化生产。
附图说明
图1是本发明实施例中一种地球与转台的位置示意图；
图2是本发明实施例中一种光学陀螺在转台上的安装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
在本实施例中，该光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，包括：
步骤1，将转台102放置在隔振平台上。
在本实施例中，如图1，转台102的转动轴ZT与地球103的自转轴ZE之间的夹角为θT。其中，θT的确定方式如下：获取测试地点的纬度θ0；根据测试地点的纬度θ0，确定θT：
Figure BDA0003825955430000041
步骤2，将固定工装104固定在转台102上。
在本实施例中，转台102的台面与固定工装104的陀螺安装面之间的安装角度为θW，θW可通过三坐标测量仪或激光干涉测量仪等测量方式测量得到。
步骤3，将光学陀螺101固定在固定工装104的陀螺安装面上。
在本实施例中，光学陀螺101的旋转轴ZG与转台102的转动轴ZT之间的安装角度为θG，θG＝θW。
步骤4，控制转台102正向或反向变速旋转，获取光学陀螺101输出信号值为零时对应的控制转台102的转速。
步骤5，根据光学陀螺101输出信号值为零时对应的控制转台102的转速，计算得到光学陀螺101正向或反向旋转的闭锁阈值。
在本实施例中，如图2，光学陀螺101垂直于旋转轴ZG的转速
Figure BDA0003825955430000051
可表示为：
Figure BDA0003825955430000052
其中，
Figure BDA0003825955430000053
表示转台的转速；
Figure BDA0003825955430000054
表示地球的转速，
Figure BDA0003825955430000055
由于
Figure BDA0003825955430000056
为常值，故可令
Figure BDA0003825955430000057
则有：
Figure BDA0003825955430000058
进一步的，确定光学陀螺输出信号值为零时对应的控制转台的转速
Figure BDA0003825955430000059
将
Figure BDA00038259554300000510
代入下式(2)中，即，令
Figure BDA00038259554300000511
通过式(2)计算得到光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值：
Figure BDA00038259554300000512
其中，K表示光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值，当光学陀螺输出信号值为零时，光学陀螺垂直于旋转轴ZG的转速就是光学陀螺正向或反向旋转的闭锁阈值。
需要说明的是，当
Figure BDA00038259554300000513
(θG趋于90度但不等于90度)时，光学陀螺的转速可以缩小到无限小。例如：当θG为20"时，θG达到转台102转速的0.97×10-4倍。陀螺阈值测量过程中，转台102工作在高转速区间(高精度区域)，转台102转动运行平稳，控制精度可以达到2×10-6°/s。当转台102工作在高转速区域，通常为(104～106)°/h量级时，地速
Figure BDA0003825955430000061
(15°/h)基本可以忽略。优选的，θT的取值范围可以为84°≤θT<90°。当转台转速达到5×104°/h时，转台精度最高。
在本实施例中，坐标系OT-XTYTZT、坐标系OE-XEYEZE、坐标系OG-XGYGZG的定义如下：
坐标系OT-XTYTZT为转台坐标系；其中，原点OT为转台台面中心，ZT轴为转台转动轴，XT轴指向正西，YT轴根据右手定则确定。
坐标系OE-XEYEZE为地球坐标系；其中，原点OE位于地心，ZE轴为地球自转轴，指向正北，XE轴指向正西，YE轴根据右手定则确定。
坐标系OG-XGYGZG为陀螺坐标系；其中，原点OG为光学陀螺轴心，ZG轴为光学陀螺敏感轴，YG轴指向陀螺阴极方向，XG轴根据右手定则确定。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量装置，包括：隔振平台、转台102和固定工装104。其中，转台102放置在隔振平台上，转台102的转动轴ZT与地球103的自转轴ZE之间的夹角为θT；固定工装104固定在转台102上，转台102的台面与固定工装104的陀螺安装面之间的安装角度为θW。测量时，光学陀螺101固定在固定工装104的陀螺安装面上，光学陀螺101的旋转轴ZG与转台102的转动轴ZT之间的安装角度为θG；控制转台102正向或反向变速旋转，获取光学陀螺101输出信号值为零时对应的控制转台102的转速；根据光学陀螺101输出信号值为零时对应的控制转台102的转速，计算得到光学陀螺101正向或反向旋转的闭锁阈值。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，包括：
将转台(102)放置在隔振平台上；其中，转台(102)的转动轴ZT与地球(103)的自转轴ZE之间的夹角为θT；
将固定工装(104)固定在转台(102)上；其中，转台(102)的台面与固定工装(104)的陀螺安装面之间的安装角度为θW；
将光学陀螺(101)固定在固定工装(104)的陀螺安装面上；其中，光学陀螺(101)的旋转轴ZG与转台(102)的转动轴ZT之间的安装角度为θG；
控制转台(102)正向或反向变速旋转，获取光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速；
根据光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速，计算得到光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值。
2.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，根据光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速，计算得到光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值，包括：
确定光学陀螺(101)垂直于旋转轴ZG的转速
Figure FDA0003825955420000011
Figure FDA0003825955420000012
其中，
Figure FDA0003825955420000013
表示转台(102)的转速，
Figure FDA0003825955420000014
表示地球(103)的转速；
Figure FDA0003825955420000015
为常值，令
Figure FDA0003825955420000016
则有：
Figure FDA0003825955420000017
确定光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速
Figure FDA0003825955420000018
将
Figure FDA0003825955420000019
代入下式(2)中，即，令
Figure FDA00038259554200000110
通过式(2)计算得到光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值：
Figure FDA00038259554200000111
其中，K表示光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值，当光学陀螺(101)输出信号值为零时，光学陀螺(101)垂直于旋转轴ZG的转速就是光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值。
3.根据权利要求1或2所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，还包括：
获取测试地点的纬度θ0；
根据测试地点的纬度θ0，确定θT：
Figure FDA0003825955420000021
4.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，θG＝θW；其中，θW通过三坐标测量仪或激光干涉测量仪测量得到。
5.根据权利要求2所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，
Figure FDA0003825955420000022
6.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，当转台(102)转速达到5×104°/h时，转台精度最高。
7.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，坐标系OT-XTYTZT为转台坐标系；其中，原点OT为转台台面中心，ZT轴为转台转动轴，XT轴指向正西，YT轴根据右手定则确定。
8.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，坐标系OE-XEYEZE为地球坐标系；其中，原点OE位于地心，ZE轴为地球自转轴，指向正北，XE轴指向正西，YE轴根据右手定则确定。
9.根据权利要求1所述的光学陀螺闭锁阈值的高精度测量方法，其特征在于，坐标系OG-XGYGZG为陀螺坐标系；其中，原点OG为光学陀螺轴心，ZG轴为光学陀螺敏感轴，YG轴指向陀螺阴极方向，XG轴根据右手定则确定。
10.一种光学陀螺闭锁阈值的高精度测量装置，其特征在于，包括：隔振平台、转台(102)和固定工装(104)；
转台(102)放置在隔振平台上；其中，转台(102)的转动轴ZT与地球(103)的自转轴ZE之间的夹角为θT；
固定工装(104)固定在转台(102)上；其中，转台(102)的台面与固定工装(104)的陀螺安装面之间的安装角度为θW；
测量时，光学陀螺(101)固定在固定工装(104)的陀螺安装面上，光学陀螺(101)的旋转轴ZG与转台(102)的转动轴ZT之间的安装角度为θG；控制转台(102)正向或反向变速旋转，获取光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速；根据光学陀螺(101)输出信号值为零时对应的控制转台(102)的转速，计算得到光学陀螺(101)正向或反向旋转的闭锁阈值。
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