专利名称：一种光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法
技术领域：
本发明涉及一种在现场精确标定光纤陀螺惯性测量单元(Fiber OpticGyro Inertial Measurement Unit，FIMU)误差系数的方法，可用于在使用现场标定光纤陀螺惯性测量单元。
背景技术：
光纤陀螺具有精度高、启动快、动态范围大、抗振动冲击及成本低等优点，是惯性仪表领域的发展趋势。近年来，光纤陀螺技术的迅猛发展推动了光纤陀螺捷联惯导系统在陆、海、空、天领域的应用。光纤陀螺惯性测量单元FIMU是光纤陀螺捷联惯导系统的核心部件，其误差包含确定性误差和随机误差两部分，其中确定性误差即系统误差约占总误差的90％左右，是光纤陀螺捷联惯导系统最主要的误差源。因此，光纤陀螺捷联惯导在使用前必须通过标定试验确定出FIMU的各项误差系数，以在光纤陀螺捷联惯导系统中对其进行补偿。
传统的FIMU标定是在具有精密转台的实验室内进行，标定的方法包括静态多位置试验方法和角速率试验方法两种。静态多位置试验方法可标定出FIMU的全部误差系数，但是精度不高。角速率标定精度较高，但只能确定出FIMU的标度因数和安装误差两类9个误差系数。将两种方法相结合，不仅可以标定出FIMU的全部误差系数，而且还具有很高的标定精度，因此在工程中得到了广泛的应用。
但是相关研究表明，通过实验室转台试验标定出的各项误差系数并不是固定不变的，包括陀螺常值误差、标度因数、安装误差和加速度计常值误差、标度因数、安装误差等。这些参数随着系统的使用或存放时间的推移而变化，尤其是陀螺漂移和加速度偏置，每次启动都不相同，时间间隔越长变化越大。因此，通常需要对FIMU进行半年或三个月一次的定期标定，而且传统的基于精密转台的标定方法非常复杂，这为使用单位增添了巨大的工作量。因此，在FIMU的使用现场对其进行各项误差系数标定，不仅可以减少甚至取消定期标定，还可以提高光纤陀螺捷联惯导的使用精度。但是，在现场没有精密的转台作为测试基准，无法对光纤陀螺捷联惯导进行精确定向，所以传统的基于精密转台的静态多位置试验和速率试验都无法实施，为FIMU的现场高精度标定带来了极大难度。一些技术人员开展了挠性陀螺IMU的现场标定研究，主要有两位置法和三位置法。两位置法是将IMU正向匀速旋转180°，再反向匀速旋转180°，然后根据IMU的简化误差模型，标定出IMU的标度因数、陀螺常值误差和加速度计常值偏置共3类9个误差系数，该方法不能够标定出陀螺仪的安装误差，而且标定精度不高，更主要的缺点是需要一个可准确旋转180°的旋转定位机构，增添了实验的复杂性；三位置方法不需要旋转定位机构，但是该方法仅仅能标定出陀螺常值漂移和加速度计常值偏置两类6个误差系数，而且标定的精度较低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种光纤陀螺惯性测量单元现场标定方法，该方法可在没有精密转台的现场通过FIMU在六个位置上的12次旋转，精确标定出陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置共四类15个误差系数。本发明具有精度高且操作简单的特点，不仅提高了FIMU的使用精度，同时也大大提高了标定的效率。
本发明的技术解决方案为一种光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，其特征在于将FIMU在六个位置上旋转12次，即可标定出FIMU的15个误差系数，具体包括以下步骤(1)将FIMU放置在水平面上，使FIMU的Z轴向上，启动FIMU，等待FIMU预热完毕；(2)将FIMU在该水平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度；(3)将FIMU在该水平面上顺时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度；(4)使FIMU的Z轴向下放置，重复试验步骤(2)和(3)；(5)分别使FIMU的X轴轴向上、向下放置，针对每个位置重复试验步骤(2)和(3)；(6)分别使FIMU和Y轴向上、向下放置，针对每个位置重复试验步骤(2)和(3)；(7)利用六个位置上12次旋转的12组数据，根据FIMU的误差模型，采用FIMU误差系数计算公式标定出FIMU的陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置共四类15个误差系数。
本发明的原理是当FIMU的Z轴向上进行逆时针和顺时针旋转时，FIMU的误差方程如下SzUz1+＝(ωz1++ωez1)+Dz+Mzy(ωy1++ωey1)+Mzx(ωx1++ωex1)(1)SxUx1+＝(ωx1++ωex1)+Dx+Mxy(ωy1++ωey1)+Mxz(ωz1++ωez1)(2)SyUy1+＝(ωy1++ωey1)+Dy+Myx(ωx1++ωex1)+Myz(ωz1++ωez1)(3)SzUz1-＝(ωz1-+ωez1)+Dz+Mzy(ωy1-+ωey1)+Mzx(ωx1-+ωex1) (4)SxUx1-＝(ωx1-+ωex1)+Dx+Mxy(ωy1-+ωey1)+Mxz(ωz1-+ωez1)(5)SyUy1-＝(ωy1-+ωey1)+Dy+Myx(ωx1-+ωex1)+Myz(ωz1-+ωez1)(6)kzNz1＝fz1+Bz+Izyfy1+Izxfx1(7)其中，下标中的“1”表示第1位置，即Z轴向上的位置，上标“+”和“-”分别表示逆时针和顺时针旋转，ωi1k(i＝x，y，z；k＝+，-)表示FIMU相对地球的旋转角速度在i轴的投影，ωei1k(i＝x，y，z；k＝+，-)表示FIMU在第1位置逆(顺)时针旋转时，地球自转角速度ωe在i轴的投影。
由于光纤陀螺系统顺时针和逆时针都旋转了360度，将方程(1)～(7)积分，则可得 Sx∫0tUx1+dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz1+ωez1)dτ+0---(9)]]>Sy∫0tUy1+dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz1++ωez1)]dτ+0---(10)]]> Sx∫0tUx1-dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz1-+ωez1)]dτ+0---(12)]]>Sy∫0tUy1-dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz1-+ωez1)]dτ+0---(13)]]>kzNz1·t=∫0t(fz1+Bz)dτ---(14)]]>对于第2～6位置(即Z轴向下、X轴向上、X轴向下、Y轴向上及Y轴向下5个位置)，根据上述方法，可建立每个位置上的7个方程，将第1～6位置建立方程组联立求解，可以得到FIMU误差系数的计算公式如式(15)～式(18)所示。
Di=Si∫0t(Uij++Uij-+Ui(j+1)++Ui(j+1)-)dτ/4t---(16)]]> Bi＝ki(Nxj+Nxj+1)/t(18)其中，n，i＝x，y，z，n≠i，且i＝z时，j＝1；i＝x时，j＝3；i＝y时，j＝5上标+和上标-分别表示逆时针旋转和顺时针旋转，t为数据采集时间。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明在光纤陀螺惯性测量单元的使用现场，利用其在六个位置上的12次旋转，即可精确标定出FIMU的陀螺标度因数Sx、Sy、Sz，陀螺常值漂移Dx、Dy、Dz，陀螺安装误差Mxy、Mxz、Myx、Myz、Mzx、Mzy，加速度计常值偏置Bx、By、Bz，共四类15个误差系数，大大提高了FIMU的使用精度，提高了标定的效率。
图1为本发明的光纤陀螺惯性测量单元的现场旋转标定试验方案图，其中图1a、图1b、图1c、图1d、图1e和图1f分别为标定试验的第1至第6位置；图2为本发明的光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法流程图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，本发明的具体实施步骤如下1、光纤陀螺惯性测量单元(FIMU)的准备将FIMU放置在水平面上(不要求该水平面绝对水平，可倾斜±5度)，使FIMU的Z轴向上放置，如图1a所示，启动FIMU，并等待FIMU预热完毕。
2、将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，建立FIMU的误差模型，如式(19)～式(20)所示SU＝Aω+D (19)kN＝Cf+B(20)建立FIMU绕Z轴逆时针旋转时的误差方程，如式(21)～式(24)SzUz1+＝(ωz1++ωez1)+Dz+Mzy(ωy1++ωey1)+Mzx(ωx1++ωex1)(21)SxUx1+＝(ωx1++ωex1)+Dx+Mxy(ωy1++ωey1)+Mxz(ωz1++ωez1)(22)SyUy1+＝(ωy1++ωey1)+Dy+Myx(ωx1++ωex1)+Myz(ωz1++ωez1)(23)kzNz1＝fz1+Bz+Izyfy1+Izxfx1(24)其中，S为光纤陀螺的标度因数，U为光纤陀螺仪的输出，A为光纤陀螺的安装误差，ω为光纤陀螺的输入角速度，D为光纤陀螺的常值漂移，k为加速度计的标度因数，N为加速度计的输出，C为加速度计的安装误差，f为加速度计的输入加速度，B为加速度计的常值偏置。
将式(22)～式(25)积分，可得 Sx∫0tUx1+dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz1++ωez1)]dτ+0---(26)]]>Sy∫0tUy1+dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz1++ωez1)]dτ+0---(27)]]>kzNz1·t=∫0t(fz1+Bz)dτ---(28)]]>3、将FIMU在该平面上顺时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，根据FIMU的误差模型建立FIMU绕Z轴顺时针旋转时的误差方程，如式(29)～式(31)SzUz1-＝(ωz1-+ωez1)+Dz+Mzy(ωy1-+ωey1)+Mzx(ωx1-+ωex1) (29)SxUx1-＝(ωx1-+ωex1)+Dx+Mxy(ωy1-+ωey1)+Mxz(ωz1-+ωez1) (30)SyUy1-＝(ωy1-+ωey1)+Dy+Myx(ωx1-+ωex1)+Myz(ωz1-+ωez1) (31)将式(29)～式(31)积分，可得 Sx∫0tUx1-dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz1-+ωez1)]dτ+0---(33)]]>Sy∫0tUy1-dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz1-+ωez1)]dτ+0---(34)]]>4、使FIMU的Z轴向下放置，如图1b所示，将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，然后将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，根据FIMU的误差模型建立7个误差方程，如式(35)～(41)所示；
Sx∫0tUx2+dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz2++ωez2)]dτ+0---(36)]]>Sy∫0tUy2+dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz2++ωez2)]dτ+0---(37)]]> Sx∫0tUx2-dτ=0+∫0t[Dx+Mxz(ωz2-+ωez2)]dτ+0---(39)]]>Sy∫0tUy2-dτ=0+∫0t[Dy+Myz(ωz2-+ωez2)]dτ+0---(40)]]>kzNz2·t=∫0t(fz2+Bz)dτ---(41)]]>5、分别使FIMU的X轴向上、向下放置，如图1c和图1d所示，针对每个位置，将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，然后将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，根据FIMU的误差模型每个位置建立7个误差方程，两个位置共14个误差方程，如式(35)～(41)所示；如式(35)～(41)所示； Sz∫0tUz3+dτ=0+∫0t[Dz+Mzx(ωx3++ωex3)]dτ+0---(36)]]>Sy∫0tUy3+dτ=0+∫0t[Dy+Myx(ωx3++ωex3)dτ+0---(37)]]> Sz∫0tUz3-dτ=0+∫0t[Dz+Mzx(ωx3-+ωex3)]dτ+0---(39)]]>Sy∫0tUy3-dτ=0+∫0t[Dy+Myx(ωx3-+ωex3)]dτ+0---(40)]]>kxNz3·t=∫0t(fx3+Bx)dτ---(41)]]>
Sz∫0tUz4+dτ=0+∫0t[Dz+Mzx(ωx4++ωex4)]dτ+0---(36)]]>Sy∫0tUy4+dτ=0+∫0t[Dy+Myx(ωx4++ωex4)]dτ+0---(37)]]> Sz∫0tUz4-dτ=0+∫0t[Dz+Mzx(ωx4-+ωex4)]dτ+0---(39)]]>Sy∫0tUy4-dτ=0+∫0t[Dy+Myx(ωx4-+ωex4)]dτ+0---(40)]]>kxNx4·t=∫0t(fx4+Bz)dτ---(41)]]>6、分别使FIMU的Y轴向上、向下放置，如图1e和图1f所示，针对每个位置，将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，然后将FIMU在该平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止1-3分钟，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度，根据FIMU的误差模型每个位置建立7个误差方程，两个位置共14个误差方程，如式(35)～(41)所示； Sx∫0tUx5+dτ=0+∫0t[Dx+Mxy(ωy5++ωey5)dτ+0---(36)]]>Sz∫0tUz5+dτ=0+∫0t[Dz+Mzy(ωy5++ωey5)]dτ+0---(37)]]> Sx∫0tUx5-dτ=0+∫0t[Dx+Mxy(ωy5-+ωey5)]dτ+0---(39)]]>Sz∫0tUz5-dτ=0+∫0t[Dz+Mzy(ωy5-+ωey5)]dτ+0---(40)]]>kyNy5·t=∫0t(fy5+By)dτ---(41)]]>
Sx∫0tUx6+dτ=0+∫0t[Dx+Mxy(ωy6++ωey6)]dτ+0---(36)]]>Sz∫0tUz6+dτ=0+∫0t[Dz+Mzy(ωy6++ωey6)]dτ+0---(37)]]> Sx∫0tUx6-dτ=0+∫0t[Dx+Mxy(ωy6-+ωey6)]dτ+0---(39)]]>Sz∫0tUz6-dτ=0+∫0t[Dz+Mzy(ωy6-+ωey6)]dτ+0---(40)]]>kyNy6·t=∫0t(fy6+By)dτ---(41)]]>7、利用六个位置上12次旋转的12组数据，根据每个位置上建立的7个方程，六个位置共42个方程，得出FIMU的误差系数计算公式，如式(35)～式(39)所示， Di=Si∫0t(Uij++Uij-+Ui(j+1)++Ui(j+1)-)dτ/4t---(36)]]> Bi＝ki(Nxj+Nxj+1)/t(39)其中，n，i＝x，y，z，n≠i，且i＝z时，j＝1；i＝x时，j＝3；i＝y时，j＝5，上标+和上标-分别表示逆时针旋转和顺时针旋转，t为数据采集时间。
利用式(35)～式(37)计算FIMU的陀螺标度因数Sx、Sy、Sz，陀螺常值漂移Dx、Dy、Dz，陀螺安装误差Mxy、Mxz、Myx、Myz、Mzx、Mzy，加速度计常值偏置Bx、By、Bz，共四类15个误差系数，至此，FIMU的标定完成。
权利要求
1.一种光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，其特征在于包括以下步骤(1)将光纤陀螺惯性测量单元FIMU放置在一个水平面上，使FIMU的Z轴向上，启动FIMU，等待FIMU预热完毕；(2)将FIMU在该水平面上逆时针旋转360°，然后保持FIMU静止，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度；(3)将FIMU在该水平面上顺时针旋转360°，然后保持FIMU静止，记录旋转及静止过程中FIMU输出的角速度和加速度；(4)使FIMU的Z轴向下放置，重复试验步骤(2)和(3)；(5)分别使FIMU的X轴向上、向下放置，针对每个位置重复试验步骤(2)和(3)；(6)分别使FIMU的Y轴向上、向下放置，针对每个位置重复试验步骤(2)和(3)；(7)利用六个位置上12次旋转的12组数据，根据FIMU的误差模型，采用FIMU误差系数计算公式标定出FIMU的陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置共四类15个误差系数。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，其特征在于所述的步骤(7)中FIMU的误差模型包括角速度通道误差模型和加速度通道误差模型，如下SU＝Aω+DkN＝Cf+B其中，S为光纤陀螺的标度因数，U为光纤陀螺仪的输出，A为光纤陀螺的安装误差，ω为光纤陀螺的输入角速度，D为光纤陀螺的常值漂移，k为加速度计的标度因数，N为加速度计的输出，C为加速度计的安装误差，f为加速度计的输入加速度，B为加速度计的常值偏置，U＝[UxUyUz]T1×3，ω＝[ωxωyωz]T1×3，D＝[DxDyDz]T1×3，S=SxSySz3×3,]]>A=1MxyMxzMyx1MyxMzxMzy13×3,]]>N＝[NxNyNz]T1×3，f＝[fxfyfz]T1×3，B＝[BxByBz]T1×3，K=kxkykz3×3,]]>C=1IxyIxzIyx1IyxIzxIzy13×3.]]>
3.根据权利要求1所述的光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，其特征在于所述的步骤(7)中的FIMU误差系数计算公式为 Di=Si∫0t(Uij++Uij-+Ui(j+1)++Ui(j+1)-)dτ/4t]]> Bi＝ki(Nxj+Nxj+1)/t其中，n，i＝x，y，z，n≠i。且i＝z时，j＝1；i＝x时，j＝3；i＝y时，j＝5，上标+和上标-分别表示逆时针旋转和顺时针旋转，t为数据采集时间。
4.根据权利要求1所述的光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，其特征在于所述步骤(2)或步骤(3)中的保持FIMU静止时间为1-3分钟。
全文摘要
一种光纤陀螺惯性测量单元的现场标定方法，本发明涉及一种现场精确标定光纤陀螺惯性测量单元(Fiber Optic Gyro Inertial Measurement Unit，FIMU)误差系数的方法。该方法可在没有精密转台的使用现场，通过FIMU在六个位置上的12次旋转，精确标定出陀螺标度因数、陀螺常值漂移、陀螺安装误差和加速度计常值偏置共15个误差系数。本发明具有精度高且操作简单的特点，不仅提高了FIMU的使用精度，同时也大大提高了标定的效率。
文档编号G01P15/14GK101021546SQ20071006478
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月26日 优先权日2007年3月26日
发明者房建成, 刘百奇, 杨胜, 张海鹏, 宫晓琳, 韩晓英 申请人:北京航空航天大学