CN116499497B

CN116499497B - 基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法

Info

Publication number: CN116499497B
Application number: CN202310768122.4A
Authority: CN
Inventors: 贾晨凯; 陈刚; 唐明浩; 杨松普; 张海峰
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2023-06-28
Filing date: 2023-06-28
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2043-06-28
Also published as: CN116499497A

Abstract

本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，包括如下流程：设置两对三支正交陀螺的惯导系统；进行误差标定时其中一对正常工作，另一对在0°与45°模态切换，数据录取模块同时录取各陀螺的角速度输出数据，并传输给模态切换解算模块；模态切换解算模块计算出陀螺漂移数据传输给误差补偿模块，误差补偿模块再计算出补偿后陀螺输出角速度，并将漂移数据补偿到模态切换状态相应陀螺输出角速度上，完成模态切换状态的陀螺误差自校准；完成自校准的一对恢复正常工作，另一对在0°与45°模态切换，完成误差自校准。本发明提供的方法能够保证陀螺输出的连续性与稳定性。

Description

基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法

技术领域

本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法。

背景技术

谐振陀螺是利用谐振子振动驻波在哥氏力作用下沿环向进动来敏感外界角速度的一种振动陀螺，具有测量精度高，稳定性和可靠性高，工作寿命长，体积小，噪声低，加速度不敏感，抗冲击、过载、辐射能力强等优点，同时具有独特的瞬间断电工作保持能力，在空间领域受到越来越多的关注和应用。

但是由于陀螺的加工工艺误差就会产生常值漂移，由于工作环境及温度变化的影响，就会产生常值漂移由于时间温度变化引起的误差。如果不及时将这些误差进行补偿，就会影响陀螺输出的准确性。而在对陀螺进行误差补偿的过程中，又可能影响陀螺输出的连续性，从而影响陀螺的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，通过在陀螺的三个敏感轴上各设置两个共线的陀螺形成带有两对三支正交陀螺的惯导系统，然后对两对三支正交陀螺依次分别基于模态反转实现陀螺漂移的补偿，从而实现惯导系统的误差自校准，消除了陀螺的加工工艺误差产生的常值漂移以及常值漂移由于工作环境及温度变化的影响产生的误差，保证了陀螺输出的准确性，并且在自校准过程中，始终有一对三支正交陀螺处于正常工作状态，保证了陀螺输出的连续性与稳定性。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其包括如下步骤：

S1:在陀螺的三个敏感轴上各设置两个共线的陀螺形成带有两对三支正交陀螺的惯导系统；

S2:进行误差标定时，惯导系统的其中一对三支正交陀螺处于0°模态正常工作状态，另一对三支正交陀螺中的各陀螺同时在0°模态与45°模态之间切换，数据录取模块同时录取各陀螺的角速度输出数据，并传输给模态切换解算模块；

S3:模态切换解算模块接收各陀螺的角速度输出数据，并根据式（1）计算出模态切换状态的三支正交陀螺的漂移数据传输给误差补偿模块，当模态切换状态的三支正交陀螺处于0°模态时，误差补偿模块按照式（2）计算出补偿后的陀螺输出角速度，将漂移数据补偿到模态切换状态相应陀螺输出角速度上，完成模态切换状态的三支正交陀螺的误差自校准；（1），

（2），

其中：=（1,2,3）表示处于模态切换状态的三支正交陀螺的陀螺编号；/> 表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个陀螺的漂移数据；/>表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个切换陀螺0°模态角速度输出数据，/>表示在t1时段中处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个切换陀螺0°模态角速度输出数据；/>表示在t1时段中正常工作状态的三支正交陀螺中正常工作陀螺0°模态的角速度输出数据，正常工作陀螺为与模态切换状态下第/>个切换陀螺共线的陀螺；/>表示在t2时段中处于模态切换状态的三支正交陀螺第/>个陀螺在45°模态角速度输出数据；/>表示在t2时段中正常工作状态的三支正交陀螺中正常工作陀螺0°模态的角速度输出数据，且正常工作陀螺为与模态切换状态下第/>个切换陀螺共线的陀螺；/>表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个陀螺补偿后的陀螺输出角速度；

S4:模态切换状态的三支正交陀螺的误差自校准完成后恢复至0°模态正常工作状态，将S2中处于0°模态正常工作状态一对三支正交陀螺中的各陀螺同时在0°模态与45°模态之间切换，重复S2-S3的过程，完成另外一对三支正交陀螺的误差自校准。

进一步，两对三支正交陀螺全部完成误差自校准后同时处于0°模态正常工作状态，其中一对三支正交陀螺作为输出陀螺，另一对三支正交陀螺作为参考陀螺。

优化的，每间隔两小时重复一次步骤S1-S4。

优化的，S2中各陀螺在0°模态与45°模态之间切换用时为10s。

优化的，S2中各陀螺在0°模态及45°模态时的时长均为5分钟。

发明的有益效果：

1.在陀螺的三个敏感轴上各设置两个共线的陀螺形成带有两对三支正交陀螺的惯导系统，然后对两对三支正交陀螺依次分别基于模态反转计算出陀螺的漂移数据，并将漂移数据补偿到相应的陀螺输出上，实现陀螺误差的自校准，可以消除由于陀螺的加工工艺误差产生的常值漂移以及常值漂移由于工作环境及温度变化的影响引起的误差，从而保证了陀螺输出的准确性。

2.由于在陀螺的三个敏感轴上各设置两个共线的陀螺形成带有两对三支正交陀螺的惯导系统，在自校准过程中，始终有一对三支正交陀螺处于正常工作状态，消除了模态切换过程中产生的动态响应（即切换瞬间会造成原有振动模态的消振和新振动模态的建立产生的震荡），防止造成陀螺输出长时间震荡，而导致陀螺无法使用影响电极切换过程中测量的连续性，保证了陀螺输出的连续性与稳定性。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

具体实施方式

基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其流程示意图如图1所示，具体包括如下步骤：

S2:进行误差标定时，惯导系统的其中一对三支正交陀螺处于0°模态正常工作状态，即流程图中的2#三支正交陀螺，另一对三支正交陀螺中的各陀螺同时在0°模态与45°模态之间切换，即流程图中的1#三支正交陀螺，数据录取模块同时录取各陀螺的角速度输出数据，并传输给模态切换解算模块；惯导系统模态切换可以通过控制器进行控制；

S3: 模态切换解算模块接收各陀螺的角速度输出数据，并根据式（1）计算出模态切换状态的三支正交陀螺的漂移数据传输给误差补偿模块，当模态切换状态的三支正交陀螺处于0°模态时，误差补偿模块按照式（2）计算出补偿后的陀螺输出角速度，将漂移数据补偿到模态切换状态相应陀螺输出角速度上，完成模态切换状态的三支正交陀螺的误差自校准；（1），

（2），

其中：=（1,2,3）表示处于模态切换状态的三支正交陀螺的陀螺编号；/>表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个陀螺的漂移数据；/>表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个切换陀螺0°模态角速度输出数据，/>表示在t1时段中处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个切换陀螺0°模态角速度输出数据；/>表示在t1时段中正常工作状态的三支正交陀螺中正常工作陀螺0°模态的角速度输出数据，正常工作陀螺为与模态切换状态下第/>个切换陀螺共线的陀螺；/>表示在t2时段中处于模态切换状态的三支正交陀螺第/>个陀螺在45°模态角速度输出数据；/>表示在t2时段中正常工作状态的三支正交陀螺中正常工作陀螺0°模态的角速度输出数据，且正常工作陀螺为与模态切换状态下第/>个切换陀螺共线的陀螺；/>表示处于模态切换状态的三支正交陀螺中第/>个陀螺补偿后的陀螺输出角速度。

具体补偿原理如下：

半球谐振陀螺是哥氏振动陀螺的一种，基于哥氏效应敏感外部角速度。基于Lynch的非理想谐振子误差模型，可以得到半球谐振陀螺运动方程为式（3）：

（3），

其中：为Paolm矩阵；/>为布莱恩系数，约等于0.27；/>为虚数，/>为相互正交的检测轴/>，/>处的位移；/>为谐振子受到的控制力；/>表示陀螺的频率裂解值；/>表示陀螺的平均频率；/>表示频率轴与电极轴的夹角；/>表示谐振子周向平均阻尼，/>表示谐振子周向阻尼不均，/>表示阻尼轴平均时间常数，/>表示最大阻尼轴时间常数；/>表示最小阻尼轴时间常数；/>表示阻尼轴与电极轴的夹角，/>为谐振子模态质量，/>为陀螺输入角速度。

而模态切换就是控制陀螺工作在力反馈模式下，通过交替切换陀螺EA\EQ电极和Ea\Eq电极的控制功能，使陀螺在两种不同的控制条件下，陀螺漂移与外界角速度的关系产生规律性变化，从而达到从包含外界角速度信息的陀螺信号中分离出陀螺漂移的目的。

根据式（3）可以得到0°模态以及45°模态下的陀螺谐振子运动方程分别为式（4）及式（5）：

（4），

（5），

其中：表示45°模态检测轴/>，/>处的位移，/>表示45°模态谐振子受到的控制力。

陀螺处于力反馈工作模式时，驻波振型固定，被控制在模态位置下，通过平均法求取式（4）及（5），可以得到0°模态和45°模态下陀螺力反馈回路输出分别为式（6）及（7）：

（6）

（7），

其中：为陀螺0°模态的输出角速度信号；/>为陀螺45°模态的输出角速度信号。

由式（6）及（7）可以看出，模态切换前后陀螺敏感外界角速度反号，漂移大小不变，通过对切换前后的陀螺输出信号进行差分即可分离其中的漂移数据B，如式（8）所示：

（8），

定义处于模态切换状态中的一对三支正交陀螺中各陀螺编号为（G₁₁, G₂₁, G₃₁），其录取的各陀螺0°模态角速度输出分别为（ ₁₁ ⁰,/> ₂₁ ⁰,/> ₃₁ ⁰），录取的各陀螺45°模态角速度输出（/> ₁₁ ⁴⁵,/> ₂₁ ⁴⁵,/> ₃₁ ⁴⁵）；

定义处于正常工作状态中的一对三支正交陀螺中各陀螺编号为（G₁₂, G₂₂, G₃₂），其所录取的各陀螺0°模态角速度输出为（ ₁₂ ⁰,/> ₂₂ ⁰,/> ₃₂ ⁰），45°模态角速度输出为（/> ₁₂ ⁴⁵,/> ₂₂ ⁴⁵,/> ₃₂ ⁴⁵）。

考虑到实际系统工作过程中，输入角速度并非定值，而是会随载体的运动状态发生变化，即当陀螺进行模态切换时，录取的0°模态陀螺输出（t1时间段）和45°模态陀螺输出（t2时间段）处于不同时间段，即其中/>非定值，/>为t1时间段的陀螺输入角速度，/>为t2时间段的陀螺输入角速度；式（6）和式（7）分别变为，此时式（8）不成立，无法直接求取陀螺漂移；此时处于0°模态正常工作状态的陀螺有，其中/>为S3中处于0°模态正常工作状态各陀螺的漂移大小；因此可以通过处于0°模态正常工作状态陀螺输出作为参考分离变化的的影响，求解出S3中各陀螺的漂移值，即将式（8）优化为式（1），因此，模态切换解算模块根据式（1）计算出模态切换状态的三支正交陀螺的漂移数据传输给误差补偿模块，当模态切换状态的三支正交陀螺处于0°模态时，误差补偿模块按照式（2）计算出补偿后的陀螺输出角速度，就将漂移数据补偿到了模态切换状态相应陀螺输出角速度上，完成了模态切换状态的三支正交陀螺的误差自校准，从而消除了由于陀螺的加工工艺误差产生的常值漂移以及常值漂移由于时间温度变化引起的误差，保证了陀螺输出的准确性。同时由于在补偿校准过程中，有一对三支正交陀螺一直处于正常工作状态，使每条敏感轴都有第二个同轴陀螺来保证第一个陀螺模态切换时测量的连续性。

S4: 模态切换状态的三支正交陀螺的误差自校准完成后恢复至0°模态正常工作状态，将S2中处于0°模态正常工作状态一对三支正交陀螺中的各陀螺同时在0°模态与45°模态之间切换，重复S2-S3的过程，完成另外一对三支正交陀螺的误差自校准。

优化的，每间隔两小时重复一次步骤S1-S4，这样可以进一步保证惯导系统输出的稳定性与连续性。

优化的，S2中各陀螺在0°模态与45°模态之间切换用时为10s，可以实现模态的自动切换。

优化的，S2中各陀螺在0°模态及45°模态时的时长均为5分钟，在相应模态时长设置为5分钟，可以使数据更加稳定。

综上所述，本发明提出的基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，通过在陀螺的三个敏感轴上各设置两个共线的陀螺形成带有两对三支正交陀螺的惯导系统，然后对两对三支正交陀螺依次分别基于模态反转实现陀螺漂移的补偿，从而实现惯导系统的误差自校准，消除了陀螺的加工工艺误差产生的常值漂移，以及常值漂移由于工作环境及温度变化的影响产生的误差，保证了陀螺输出的准确性，并且在自校准过程中，始终有一对三支正交陀螺处于正常工作状态，保证了陀螺输出的连续性与稳定性。

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

1.基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

（2），

2.根据权利要求1所述的基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其特征在于，两对三支正交陀螺全部完成误差自校准后同时处于0°模态正常工作状态，其中一对三支正交陀螺作为输出陀螺，另一对三支正交陀螺作为参考陀螺。

3.根据权利要求1或2所述的基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其特征在于，每间隔两小时重复一次步骤S1-S4。

4.根据权利要求1或2所述的基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其特征在于，S2中各陀螺在0°模态与45°模态之间切换用时为10s。

5.根据权利要求1或2所述的基于模态反转的半球谐振陀螺惯导系统误差自校准方法，其特征在于，S2中各陀螺在0°模态及45°模态时的时长均为5分钟。