CN115638807A - 一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法 - Google Patents

一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，包括如下流程：以地球自转数据作为输入，且测试时间至少半年；将高精度分度表依次转过
Figure 770091DEST_PATH_IMAGE001
°、
Figure 885814DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 522332DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 534150DEST_PATH_IMAGE004
，分别采集陀螺输出角速度数据并求取平均值，计算出北向夹角；将高精度分度表转动至北向位置，测量输出角速度数据，将输出角速度数据与地球自转输入数据比较，若输出角速度数据包含地球自转输入数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺精度优于地球自转速度及地轴章动变化精度。本发明提供的方法利用地球公转及章动数据作为输入，能够测试出超高精度光纤陀螺的精度级别。

Description

一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法
技术领域
本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法。
背景技术
地球在以太阳系为惯性空间里的运动包括公转和自转，公转是指地球质心(地球自转轴)绕太阳系质心的运动,自转是地球本体绕地球质心(地球自转轴)的转动。
地球转动是一个复杂的动力学系统，在转动的过程中，地球不仅会受到来自海洋、大气、地核、地幔以及地壳等地球自身因素的影响，同时还受到来自行星、太阳（年周期）、月亮（月周期）等外部天体的引力作用，在这些各种影响的共同作用下，地球自转轴会发生轻微变化，这种地球自转轴轻微的变化称为章动。地球公转及章动示意图如附图1所示。
地球这种自转轴的章动包括：地球自转轴自转速度的微小变化(地球自转速度不是固定常值，即固定的86400秒转动一周)；地球自转轴周日、半日的极移微小变化；地球自转轴在惯性空间中不同频率不同振幅的振动相，如周期约为18.6年、9.3年、182.62天(半年)、13.66天(半月)的振动项。
超高精度光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，相对于静电陀螺、激光陀螺具有精度高、体积小、精度高、全固态、高稳定性等优点。基于超高精度光纤陀螺的惯性导航系统作为一种可靠的高精度导航系统，可以在不依托于GPS等外界第三方输入的情况下稳定长时间的(30天、60天、180天)的输出准确的导航数据。
为使惯性导航系统获得上述长时间准确输出导航数据的能力，对超高精度光纤陀螺的精度水平提出了苛刻的要求；同时，随着超高精度光纤陀螺自身对其极限精度的不断探索，超高精度光纤陀螺的准确性能测试就成为了制约超高精度光纤陀螺发展的关键问题。
问题在于：1.超高精度光纤陀螺测试过程中需要准确的可溯源的输入角速率数据，一般的要求：作为基准的数据需要比超高精度光纤陀螺精度最少要高出3倍，但是超高精度光纤陀螺自身作为最高精度光纤陀螺了，很难找到可溯源的测量比较基准；2.目前用到的测量标度的转台，角位置精度也无法满足测量需求。
因此，如何准确的实现超高精度光纤陀螺精度测试，成为超高精度光纤陀螺零偏性能、标度性能的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，通过高精度分度表使超高精度光纤陀螺依次进行角度变换，然后计算出高精度分度表初始安装位置与北向位置之间的夹角，再通过高精度分度表将超高精度光纤陀螺转动至北向位置固定，然后将地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据进行测试，然后将陀螺输出角速度数据进行处理后如果能够敏感到地球自转数据，则说明超高精度光纤陀螺的测试精度能够达到相应的精度级别。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其测试方法包括如下步骤：
S1:将超高精度光纤陀螺置于隔振恒温环境并固定安装在测试工装上，再将测试工装与隔振平台上的高精度分度表固定安装在一起；
S2:将超高精度光纤陀螺通电并以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试，且测试时间至少为半年；
S3:将高精度分度表依次转过
Figure 5186DEST_PATH_IMAGE001
°、
Figure 983507DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 969917DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 400899DEST_PATH_IMAGE004
，分别采集陀 螺输出角速度数据，并将陀螺输出角速度数据传输给数据处理模块求取相应陀螺输出角速 度数据的平均值，分别为
Figure 498168DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 599503DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 225657DEST_PATH_IMAGE007
、，其中
Figure 409513DEST_PATH_IMAGE001
为高精度分度表初始安装位置；
S4:数据处理模块按照式（1）计算出高精度分度表初始安装位置与北向位置之间 的夹角
Figure 310473DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 732227DEST_PATH_IMAGE009
（1）；
S5:将高精度分度表转动
Figure 60440DEST_PATH_IMAGE008
至北向位置，再测量超高精度光纤陀螺的输出角速度 数据，并将输出角速度数据信息传输给数据处理模块，数据处理模块将输出角速度数据信 息进行处理后，获得相应的输出角速度数据，将输出角速度数据与相应的地球自转输入数 据比较，若输出角速度数据包含地球自转输入数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精 度优于地球自转速度及地轴章动变化精度。
优化的，S1-S5的测试过程在地下35米处的恒温隔振实验室环境中进行。
进一步，S2中将超高精度光纤陀螺通电稳定放置72小时后再以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试。
优化的，S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球角速度变化数据。
进一步，测试时间为190天，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用卡尔玛滤波处理，得到陀螺输出角速度数据，将陀螺输出角速度数据与输入的地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据进行比较，若陀螺输出角速度数据包含地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于6.337*10-7°/h。
优化的，S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据。
进一步，测试时间为一年，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用小波变换或者ALLAN方差法进行滤波处理，提取出0.5天、1天、半个月、一个月、半年及一年内的输出周期信号，并将输出周期信号与相应时间段的地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据进行比较，若输出周期信号包含相应时间段内地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于10-7°/h。
发明的有益效果
本发明提供的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，具有如下优点：利用地球公转及章动物理数据中所含有的精确的角速率数据或自转轴变化数据作为超高精度光纤陀螺的输入，并且使超高精度光纤陀螺精确的指向北向再进行输出测试，并将输出角速度数据与输入数据进行比对，能够测试出超高精度光纤陀螺的精度级别，解决了超高精度光纤陀螺精度测试的难题。
附图说明
图1是地球公转及章动示意图；
图2是地球公转角速度变化曲线。
具体实施方式
一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其测试方法包括如下步骤：
S1:将超高精度光纤陀螺置于隔振恒温环境并固定安装在测试工装上，再将测试工装与隔振平台上的高精度分度表固定安装在一起；
S2:将超高精度光纤陀螺通电并以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试，且测试时间至少为半年；
S3:将高精度分度表依次转过
Figure 200435DEST_PATH_IMAGE001
°、
Figure 905086DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 446925DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 946040DEST_PATH_IMAGE004
，分别采集陀 螺输出角速度数据，并将陀螺输出角速度数据传输给数据处理模块求取相应陀螺输出角速 度数据的平均值，分别为
Figure 573330DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 816093DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 212439DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 882455DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 997041DEST_PATH_IMAGE001
为高精度分度表初始安装位置；
S4:数据处理模块按照式（1）计算出高精度分度表初始安装位置与北向位置之间 的夹角
Figure 777915DEST_PATH_IMAGE008
：
Figure 291418DEST_PATH_IMAGE011
（1）；
S5:将高精度分度表转动
Figure 132335DEST_PATH_IMAGE008
至北向位置，再测量超高精度光纤陀螺的输出角速度 数据，并将输出角速度数据信息传输给数据处理模块，数据处理模块将输出角速度数据信 息进行处理后，获得相应的陀螺输出角速度数据，并且可以绘制出相应的曲线，将输出角速 度数据与相应的地球自转输入数据比较，若输出角速度数据包含地球自转输入数据的极 值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于地球自转速度及地轴章动变化精度。
由于地球在以太阳为中心的惯性空间运动时，角速度和线速度不是固定值。地球公转角速度变化曲线如附图2所示，地球轨道总长度是940,000,000千米，采用恒星年作地球公转周期的话，那么地球公转的平均角速度就是每年360°，也就是经过365.2564日地球公转360°，即每日约0.986°，亦即每日约59′8″，地球公转的平均线速度就是每年9.4亿千米，也就是经过365.2564日地球公转了9.4亿千米，即每秒钟29.8千米。另一方面，地球公转速度随着日地角距离的变化而改变。研究资料表明：地球在近日点公转速度快，角速度和线速度都超过它的平均值，角速度为1°1＇11”／24h，线速度为30.3千米／秒；地球在远日点公转速度慢，角速度和线速度都低于它的平均值，角速度为57＇11”／24h，线速度为29.3千米／秒，极差值达到4＇／24h。以该极差数据作为超高精度光纤陀螺测试角速率输入，为：4＇／24h即约为0.0027777778°/h，该极差变化时间为半年365.2564/2，折合到每小时则如式（2）所示，如果超高精度光纤陀螺能够敏感到地球自转输入数据角速度的极差变化的极值，则说明超高精度光纤陀螺的精度优于6.337*10-7°/h；
0.0027777778/(365.2564/2))/24=6.337*10-7°/h （2）
同时地球在以太阳为中心的惯性空间运动时，地球绕自身轴按照15°／h的角速度运动，超高精度光纤陀螺静态测试的切向速度与测试所在场所的纬度相关，计算切向速度及测试时间内测试平台在惯性空间的航程，通过计算测试平台在测试时间内的定位误差，可以判断超高精度光纤陀螺仪的综合误差。由于地球自转轴周日、半日章动极移变化产生范围在-4x10-8°/h到4x10-8°／h之间的角速度误差，连续测量一定时间内超高精度光纤陀螺输出曲线，并经处理后得到输出周期信号，并将输出周期信号与相应时间段的地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据进行比较，如果能够敏感到地球在惯性空间内运动时的自转轴变化数据的极值，则可判断被测试超高精度光纤陀螺精度一定优于10-7°/h。
因此将超高精度光纤陀螺置于隔振恒温环境，去除外界干扰后，以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试，且测试时间至少为半年，测量的超高精度光纤陀螺的输出角速度数据可以传输给数据处理终端的数据处理模块，数据处理模块将输出角速度数据进行处理后，获得相应的输出角速度数据，将输出角速度数据与相应的地球自转输入数据比较，若输出角速度数据包含地球自转输入数据的极值，则说明被测试超高精度光纤陀螺能够敏感到地球自转变化数据，说明被测试超高精度光纤陀螺的精度优于地球自转速度及地轴章动变化精度。这里所述的地球自转数据包括地球自转角速度变化数据及自转轴变化数据。
而将高精度分度表精确转动到北向位置，再测量光纤陀螺输出角速度数据，可以确保超高精度光纤陀螺输入数据为测试位置角速度输入的最大值，从而避开超高精度光纤陀螺有可能存在的不敏感死区；
优化的，S1-S5的测试过程在地下35米处的恒温隔振实验室环境中进行，选择在地下35米处的恒温隔振实验室环境中进行测试，可以隔离地表面的振动以及外界天体辐射对陀螺的影响，并且保持恒温，使陀螺输出更加稳定精确，测试结果更加准确。
进一步，S2中将超高精度光纤陀螺通电稳定放置72小时后再以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试，可以使陀螺的温度保持恒温且状态稳定后再进行测试，保证测试结果的准确性。
优化的，S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球角速度变化数据。
进一步，测试时间为190天，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用卡尔玛滤波处理，得到陀螺输出角速度数据，将陀螺输出角速度数据与输入的地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据进行比较，若陀螺输出角速度数据包含地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于6.337*10-7°/h。
测试时间为190天，超过了半年时间，结合上面所述，如果超高精度光纤陀螺在半年时间内能够敏感到地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据的极值，则说明超高精度光纤陀螺的精度一定优于6.337*10-7°/h。
优化的，S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据。
进一步，测试时间为一年，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用小波变换或者ALLAN方差法进行滤波处理，提取出0.5天、1天、半个月、一个月、半年及一年内的输出周期信号，并将输出周期信号与相应时间段的地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据进行比较，若输出周期信号包含相应时间段内地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于10-7°/h。
测试时间为一年包含了自转轴变化的一个周期，结合上面所述，如果超高精度光纤陀螺在一年时间内能够敏感到地球在惯性空间内运动时的自转轴变化数据的极值，既能够敏感到-4x10-8°/h到4x10-8°／h范围内的数据，则说明超高精度光纤陀螺的精度一定优于10-7°/h。
综上所述，本发明提出的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，利用地球公转及章动物理数据中所含有的精确的角速率数据或自转轴变化数据作为超高精度光纤陀螺的输入，并且使超高精度光纤陀螺精确的指向北向再进行输出测试，并将输出角速度数据与输入数据进行比对，能够测试出超高精度光纤陀螺的精度级别，解决了超高精度光纤陀螺精度测试的难题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：测试方法包括如下步骤：
S1:将超高精度光纤陀螺置于隔振恒温环境并固定安装在测试工装上，再将测试工装与隔振平台上的高精度分度表固定安装在一起；
S2:将超高精度光纤陀螺通电并以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试，且测试时间至少为半年；
S3:将高精度分度表依次转过
Figure 159109DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 573909DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 47616DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 16709DEST_PATH_IMAGE004
，分别采集陀螺输 出角速度数据，并将陀螺输出角速度数据传输给数据处理模块求取相应陀螺输出角速度数 据的平均值，分别为
Figure 968485DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 972213DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 616821DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 73210DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure 828676DEST_PATH_IMAGE009
为高精度分度表初始安装位置；
S4:数据处理模块按照式（1）计算出高精度分度表初始安装位置与北向位置之间的夹 角
Figure 421332DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 236841DEST_PATH_IMAGE011
（1）；
S5:将高精度分度表转动
Figure 446105DEST_PATH_IMAGE010
至北向位置，再测量超高精度光纤陀螺的输出角速度数据， 并将输出角速度数据信息传输给数据处理模块，数据处理模块将输出角速度数据信息进行 处理后，获得相应的输出角速度数据，将输出角速度数据与相应的地球自转输入数据比较， 若输出角速度数据包含地球自转输入数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于地 球自转速度及地轴章动变化精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：S1-S5的测试过程在地下35米处的恒温隔振实验室环境中进行。
3.根据权利要求1所述的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：S2中将超高精度光纤陀螺通电稳定放置72小时后再以地球自转数据作为超高精度光纤陀螺的输入数据开始测试。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球角速度变化数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：测试时间为190天，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用卡尔玛滤波处理，得到陀螺输出角速度数据，将陀螺输出角速度数据与输入的地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据进行比较，若陀螺输出角速度数据包含地球在惯性空间内运动时的角速度变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于6.337*10-7°/h。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：S2中的地球自转数据为地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据。
7.根据权利要求6所述一种基于地球自转的光纤陀螺精度测试方法，其特征在于：测试时间为一年，且S5中对超高精度光纤陀螺的输出角速度数据信息采用小波变换或者ALLAN方差法进行滤波处理，提取出0.5天、1天、半个月、一个月、半年及一年内的输出周期信号，并将输出周期信号与相应时间段的地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据进行比较，若输出周期信号包含相应时间段内地球在惯性空间内运动时的地球自转轴变化数据的极值，则判断超高精度光纤陀螺的精度优于10-7°/h。
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