CN115574797A - 一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，包括利用安装于转台上的陀螺仪确定正东方向；确定陀螺仪敏感轴的零位，转动转台的位置使陀螺仪敏感轴指向零位，记录陀螺仪输出值F_E1；转动转台的位置使陀螺仪敏感轴指向第j个采集位置，记录陀螺仪输出值F_ωj；使陀螺仪敏感轴返回零位，记录陀螺仪输出值F_E2；计算陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j，得到陀螺仪的角速度测量误差，判断陀螺仪的角速度测量误差是否满足要求。本发明改善了高精度陀螺仪在小角速度测量误差的测试过程中，由于转台速度精度差以及数据采集方式产生的误差，提高对高精度陀螺仪角速度测量误差的测量精度。

Description

一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于转台的陀螺仪角速度测量误差的测试方法，具体涉及一种转台位置模式的角速度测量误差的高精度测试方法，属于惯性导航技术领域。

背景技术

本发明主要针对高精度光纤陀螺角速度误差的测量，近年来，光纤陀螺以其特有的优点逐渐成为惯性导航技术领域中的主流仪表之一，随着各项技术的发展，高精度光纤陀螺逐渐走向实用化，走进市场。传统角速度精度测量方法通过速率标定进行测试，受制于速率转台的器件和控制精度，目前转台的速率精度通常位于10^-5°/s～10^-4°/s量级，无法实现10^-7°/s的角速度精度。高精度光纤陀螺仪的角速度测量精度是衡量陀螺仪精度的重要标准之一，因此需要一种高精度的角速度误差测量方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，解决了传统角速度精度测量方法角速度测量精度低的技术问题，本发明改善了高精度陀螺仪在小角速度测量误差的测试过程中，由于转台速度精度差以及数据采集方式产生的误差，提高对高精度陀螺仪角速度测量误差的测量精度。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，包括：

利用安装于转台上的陀螺仪确定正东方向；

根据正东方向确定陀螺仪敏感轴的零位，使陀螺仪敏感轴指向零位，记录陀螺仪输出值F_E1；

转动转台，使陀螺仪敏感轴指向第j个采集位置，记录陀螺仪输出值F_ωj；采集位置与正东方向的夹角根据地球自转角速度分量确定；采集位置的数量为n，n≥5，1≤j≤n；

转动转台，使陀螺仪敏感轴返回零位，记录陀螺仪输出值F_E2；

根据F_E1、F_E2和F_ωj，得到陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j；根据陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j和采集位置对应的地球自转角速度分量，得到陀螺仪的角速度测量误差。

进一步的，利用安装于转台上的陀螺仪确定正东方向的方法为：

将陀螺仪安装于转台上，使陀螺仪敏感轴位于水平面内，设此时转台的状态为初始状态，陀螺仪敏感轴与北向的夹角为θ₀，记录陀螺仪的输出值F₁；

顺时针转动转台，每转过90°记录一次陀螺仪的输出值，直至转台回到初始状态，得到陀螺仪的输出值F₂、F₃、F₄；

根据F₁、F₂、F₃、F₄求解θ₀；

使转台由初始转台顺时针转动90-θ₀，此时陀螺仪敏感轴的指向为正东方向。

进一步的，根据F₁、F₂、F₃、F₄，按照如下公式求解θ₀：

(F₂-F₄)/(F₁-F₃)＝-tanθ₀。

进一步的，根据正东方向确定陀螺仪敏感轴的零位的方法为：

陀螺敏感轴以正东方向为起点逆时针或顺时针转动，使敏感轴指向零位时的地球自转角速度分量与正东方向的地球自转角速度分量相比变化0.1°/h～5°/h。

进一步的，根据地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角时，首先在10^-7～10^-3°/s范围内的每一量级分别确定至少一个地球自转角速度分量，再根据上述地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角；所述地球自转角速度分量为将零位的地球自转角速度分量设为0时，采集位置的地球自转角速度分量，即采集位置对应的真实地球自转角速度分量与零位对应的真实地球自转角速度分量之差，也可以称为基于零位偏置的地球自转角速度分量。

进一步的，根据地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角的方法为：

设第j个采集位置与正东方向的夹角为ω_j，ω_j和第j个地球自转角速度分量Ω_j满足如下关系式：

其中，Ω_d为陀螺仪敏感轴指向正北时的地球自转角速度分量，为ω₀为零位与正东方向的夹角，Ω_j实际为采集位置对应的真实地球自转角速度分量与零位对应的真实地球自转角速度分量之差。

进一步的，根据F_E1、F_E2和F_ωj，根据如下公式得到陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j：

进一步的，陀螺仪的角速度测量误差包括n个采集位置的陀螺仪角速度测量误差，其中第j个采集位置的陀螺仪角速度测量误差

其中，Ω_j为第j个地球自转角速度分量，K为标度因数。

进一步的，还包括判断陀螺仪的角速度测量误差是否满足要求；

判断陀螺仪的角速度测量误差是否满足要求的方法为：

将n个采集位置的角速度测量误差中绝对值最大的角速度测量误差记为α_max；

当满足如下公式时，判断陀螺仪的角速度测量误差满足要求：

|α_max|≤ΔΩ；

其中，ΔΩ为测量误差要求值。

进一步的，转台的位置精度要求为≤1”；

陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j精度为10^-9°/s量级；

陀螺仪输出值为≥20min的采集时间内陀螺仪输出的平均值。

本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

(1)本发明角速度测量误差的测试方法，利用地球自转角速度高稳定性，能够实现高精度光纤陀螺的小角速度测量误差，避免了传统方法中转台速率精度对测量结果的影响。；

(2)本发明角速度测量误差的测试方法，使用高精度转台的位置模式即可实现超过速率模式4个数量级以上的小角速度误差测试精度；

(3)本发明考虑了死区对陀螺仪的角速度测量的影响，有效提高了测试准确性；

(4)本发明可根据需求灵活选择与地球自转角速度分量对应的采集位置，方法简单，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明转台的陀螺仪角速度测量误差的测试方法流程图；

图2为本发明陀螺仪四位置寻北过程示意图；

图3为本发明提供的角速度测量最大允许误差测试过程示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明通过高精度速率与转台的位置模式，利用地球自转角速度约10^-11°/s量级的高稳定性，能够实现高精度光纤陀螺的小角速度测量误差。本发麻采用地球自转角速度作为角速度基准，将陀螺仪敏感轴安装固定于水平面内，利用陀螺仪敏感轴相对于东向的位置对应需测的地球自转角速度分量，避免了传统方法中速率转台的速率精度对测量结果的影响，提出了一种通用的、针对于高精度陀螺仪的基于高精度转台的陀螺仪角速度测量误差的测试方法，本发明同时为一种减小测试误差的数据采集方式，改善了高精度陀螺仪在小角速度测量误差的测试过程中，由于转台以及数据采集方式产生的误差，提高对高精度陀螺仪角速度测量误差的测量精度。

在一种优选的实施方式中，本发明基于转台的角速度测量误差的测试方法，包括如下步骤：

(1)利用光纤陀螺寻北，寻北的方法具体为：

将测试工装固定于转台上，陀螺仪固定于测试工装上，将陀螺仪敏感轴(IRA)安装固定于水平面内，设敏感轴与北向夹角为θ₀，陀螺仪通电预热2小时，在θ₀处采集陀螺输出20min，得到陀螺输出F₁，F₁满足如下公式：

F₁＝F_Lcosθ₀+B₀

其中，F_L＝KΩ_EcosΨ，K为标度因数，Ω_E为地球旋转角速度，Ψ为当地纬度，B₀为陀螺零偏。依次将转台顺时针转90°，分别测试陀螺输出，测试时间为20min，得到：

F₂＝-F_Lsinθ₀+B₀

F₃＝-F_Lcosθ₀+B₀

F₄＝F_Lsinθ₀+B₀

对上式进行如下运算：(F₂-F₄)/(F₁-F₃)＝-tanθ₀，求出θ₀后，顺时针旋转转台90-θ₀使陀螺仪敏感轴指向正东。

(2)角速度测量误差测试：

通过下述方式对陀螺仪进行数据采集和处理：

将陀螺仪敏感轴依次转向零位、被测位置点(采集位置)、零位，分别采集陀螺仪输出，所有被测位置点均重复此步骤；

取各个位置点下陀螺仪输出的平均值，计算与零位输出的差值，并计算出实际值与理论值的偏差，若满足要求，即角速度测量误差满足要求。

具体的，由于陀螺仪存在死区，导致陀螺仪敏感轴在正东附近时误差较大，因此本发明将陀螺仪敏感轴指向正东时顺时针或逆时针转过ω₀，对应的地球自转分量相对于正东方向变化0.1°/h，测试该位置陀螺输出，将该位置作为零位，确保陀螺仪在死区范围外测量。陀螺仪敏感轴指向由东向逆时针转过0.1°/h的位置，测试1800s，记录陀螺仪输出，其平均值为F_E1；逆时针旋转转台，使光纤陀螺仪敏感轴与ω₀之间夹角为ω_j，(优选的，对应的地球自转角速度分量分别为4×10^-7°/s，4×10^-6°/s，4×10^-5°/s，1×10^-4°/s，1×10^-3°/s)，测试1800s，记录陀螺仪输出，其平均值为F_ωj；使陀螺仪敏感轴再次指向零位，测试1800s，记录陀螺仪输出，其平均值为F_E2。根据F_E1、F_E2和F_ωj计算陀螺仪实际输出值F_j，当光纤陀螺实际输出与理论输出满足

ΔΩ为测量误差要求值，即角速度测量误差满足要求。

需要注意的是，由于陀螺仪存在死区，因此本测试方法设计将陀螺仪敏感轴指向正东时顺、逆时针分别转过0.1°/h对应位置，将其设置为零位，再叠加需测的地球自转角速度分量，确保陀螺仪在死区范围外测量。

将陀螺仪安装在转台上，使陀螺仪敏感轴位于水平面内，利用高精度转台位置法测量陀螺仪的小角速度测量误差，避免了转台误差以及转台精度超差对角速度测量精度的影响。

高精度转台的位置精度通常可以达到0.0001°，对于陀螺敏感轴指东向时，高精度光纤陀螺在1800s采样时，该位置精度对应的角速度精度可以达到0.00002°/h，即5.55×10^-9°/s，远高于转台的速率模式精度(1×10^-4°/s)。

实施例：

本实施例结合附图1-3进行详细说明。

首先将待测陀螺安装在高精度转台上，并将陀螺仪敏感轴保持在水平面内，通过转台寻北，使陀螺仪敏感轴指向东向，旋转转台使光纤陀螺敏感轴与东向的夹角对应需测的地球自转角速度分量，并记录陀螺仪在不同角速度下的输出，通过得到的对应各角速度对应的陀螺仪输出，根据转台的角度变化及其对应地球角速度分量变化计算的角速度输入值，计算该输入值与实际陀螺仪输出的角速度绝对偏差，即陀螺仪的角速度测量误差，满足要求的最大偏差即为光纤陀螺仪的角速度测量误差。

如图1，本实施例具体步骤如下：

(1)将陀螺仪安装于工装，再一并安装于高精度转台上，使陀螺仪敏感轴位于水平面内，开启高精度转台。

(2)连接陀螺测试电缆，陀螺上电，开启测试软件，陀螺预热2h。

(3)如图2，依次将转台顺时针转90°，分别测试陀螺输出，测试时间为20min，得到北向角。

(4)使陀螺仪敏感轴指向正东，然后通过转台旋转至陀螺输出为0.1°/h的对应位置，将该位置与正东的夹角定义为ω₀，并将该位置作为零位，测试1800s，记录陀螺仪输出，并计算其平均输出F_E1。

(5)如图3，逆时针旋转转台，使光纤陀螺仪敏感轴与东向之间夹角为ω_j，(优选的，对应的地球自转角速度分量分别为4×10^-7°/s，4×10^-6°/s，4×10^-5°/s，1×10^-4°/s，1×10^-3°/s，这里的地球自转角速度分量指将零位的地球自转角速度分量视为0时，采集位置的地球自转角速度分量)，测试1800s，记录陀螺仪输出，并分别计算平均输出F_ωj；

(6)使陀螺仪敏感轴再次指向零位，测试1800s，记录陀螺仪输出，其平均值为F_E2。

(7)计算陀螺仪角速度实际值输出为

(8)逐点计算角速度测量误差

最终得到陀螺仪的角速度精度，绝对值最大的α_j即陀螺仪的角速度精度。

(9)判断角速度测量误差是否满足角速度测量误差要求：

地球自转角速度分量Ω_j即陀螺仪理论输出，当角速度测量误差α_j与理论输出满足

ΔΩ为测量误差要求值，则角速度测量误差满足要求。

根据某课题型号应用于超高精度测量环境的要求，高精度光纤陀螺仪在常压、常温环境下，角速度测量误差应满足指标ΔΩ≤1.5×10^-7°/s，项目已研制出针对该型号要求的陀螺原理样机，试对该陀螺样机进行常压、常温下的角速度测量误差的测量试验。

选取1只该项目各项性能测试合格的光纤陀螺原理样机，该样机的常温零偏稳定性优于0.0002°/h(1σ，100s)，随机游走系数优于3×10^-5°/h^1/2，标度因数K为203377.336，非线性为0.57ppm。

首先按照上述步骤将样机安装在高精度转台上，进行陀螺仪寻北试验，得到北向夹角θ₀为74.312°，东向夹角90-θ₀为15.688°。

根据下式将本发明设定的0.1°/h陀螺输出偏置转化为光纤陀螺仪敏感轴与东向之间夹角ω₀，

其中Ω_d为样机所在纬度的敏感轴指向正北时的地球自转分量，本实施例设定为北京地区某试验场所的11.5183°/h，根据上式可计算出光纤陀螺仪敏感轴与东向之间夹角ω₀为0.49744°，

寻北试验和设定陀螺输出为0.1°/h的转台转位完成后，按照上述步骤，对该样机进行角速度测量误差测量试验，对应的相对地球自转角速度分量Ω_j分别为4×10^-7°/s、4×10^-6°/s、4×10^-5°/s、1×10^-4°/s、1×10^-3°/s，Ω_j为各采集位置相对于零位的地球自转角速度分量，根据下式将地球自转角速度分量转化为光纤陀螺仪敏感轴与东向之间夹角ω_j，

旋转转台使样机敏感轴分别指向地球自转角速度分量对应的位置ω_j，采集样机输出，并通过

计算出扣除零位偏移的陀螺仪角速度变化量，并与输入地球自转角速度分量相减得到角速度测量误差，表1为该样机的角速度测量点(包括零位和各采集位置)及角速度测量误差的计算结果，表中可以看到该陀螺仪在本发明的测试方法下角速度测量误差均满足指标要求(ΔΩ≤1.5×10^-7°/s)。

表1角速度测量点及角速度测量误差

表1中，地球自转角速度分量为正时表示向北向转动，地球自转角速度分量为负时表示向南向转动，本发明也可以仅采集地球自转角速度分量为正或为负时对应位置的陀螺仪输出，其中，第一、二列为本发明的Ω_j，即基于零位偏置的地球自转角速度分量，第三列为各位置的真实地球自转角速度分量。

由表1可知，本发明方法可实现超高精度陀螺仪在小角速度下的精度测量，避免了转台误差以及转台精度超差对角速度测量精度的影响，确保陀螺仪角速度测量结果的准确性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，包括：

利用安装于转台上的陀螺仪确定正东方向；

根据正东方向确定陀螺仪敏感轴的零位，使陀螺仪敏感轴指向零位，记录陀螺仪输出值F_E1；

转动转台，使陀螺仪敏感轴指向第j个采集位置，记录陀螺仪输出值F_ωj；采集位置与正东方向的夹角根据地球自转角速度分量确定；采集位置的数量为n，n≥5，1≤j≤n；

转动转台，使陀螺仪敏感轴返回零位，记录陀螺仪输出值F_E2；

根据F_E1、F_E2和F_ωj，得到陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j；

根据陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j和采集位置对应的地球自转角速度分量，得到陀螺仪的角速度测量误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，利用安装于转台上的陀螺仪确定正东方向的方法为：

将陀螺仪安装于转台上，使陀螺仪敏感轴位于水平面内，设此时转台的状态为初始状态，陀螺仪敏感轴与北向的夹角为θ₀，记录陀螺仪的输出值F₁；

顺时针转动转台，每转过90°记录一次陀螺仪的输出值，直至转台回到初始状态，得到陀螺仪的输出值F₂、F₃、F₄；

根据F₁、F₂、F₃、F₄求解θ₀；

使转台由初始转台顺时针转动90-θ₀，此时陀螺仪敏感轴的指向为正东方向。

3.根据权利要求2所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，根据F₁、F₂、F₃、F₄，按照如下公式求解θ₀：

(F₂-F₄)/(F₁-F₃)＝-tanθ₀。

4.根据权利要求2所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，根据正东方向确定陀螺仪敏感轴的零位的方法为：

陀螺敏感轴以正东方向为起点逆时针或顺时针转动，使敏感轴指向零位时的地球自转角速度分量与正东方向的地球自转角速度分量相比变化0.1°/h～5°/h。

5.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，根据地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角时，首先在10^-7～10^-3°/s范围内的每一量级分别确定至少一个地球自转角速度分量，再根据上述地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角；所述地球自转角速度分量为将零位的地球自转角速度分量视为0时，采集位置的地球自转角速度分量。

6.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，根据地球自转角速度分量确定采集位置与正东方向的夹角的方法为：

设第j个采集位置与正东方向的夹角为ω_j，ω_j和第j个地球自转角速度分量Ω_j满足如下关系式：

其中，Ω_d为陀螺仪敏感轴指向正北时的地球自转角速度分量，ω₀为零位与正东方向的夹角；

所述地球自转角速度分量为将零位的地球自转角速度分量设为0时，采集位置的地球自转角速度分量。

7.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，根据F_E1、F_E2和F_ωj，根据如下公式得到陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j：

8.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，陀螺仪的角速度测量误差包括n个采集位置的陀螺仪角速度测量误差，其中第j个采集位置的陀螺仪角速度测量误差

其中，Ω_j为第j个地球自转角速度分量，K为标度因数。

9.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，还包括，判断陀螺仪的角速度测量误差是否满足要求；

判断陀螺仪的角速度测量误差是否满足要求的方法为：

将n个采集位置的角速度测量误差中绝对值最大的角速度测量误差记为α_max；

当满足如下公式时，判断陀螺仪的角速度测量误差满足要求：

|α_max|≤ΔΩ；

其中，ΔΩ为测量误差要求值。

10.根据权利要求1所述的一种基于转台位置模式的角速度测量误差的测试方法，其特征在于，转台的位置精度要求为≤1”；

陀螺仪在第j个采集位置的实际输出值F_j精度为10^-9°/s量级；

陀螺仪输出值为≥20min的采集时间内陀螺仪输出的平均值。

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