专利名称：一种动态估算加速度计分辨率的方法
技术领域：
本发明涉及一种动态估算加速度计分辨率的方法，采用双轴转台匀速旋转调制来动态估算加速度计分辨率，属于航空航天高精度惯性元件的测试技术领域。
背景技术：
高精度加速度计和陀螺仪是高精度导航重要元件，同时也是组成高精度定位定向系统和重力测量系统的重要组成部分。加速度计是惯性测量单元(IMU)的重要组成部分，利用陀螺仪输出的角速度信息和加速度计输出加速度信息可以解算速度、位置、姿态等信息，完成运载体的导航、定位等功能。目前，重力测量在资源勘探、固体潮监测等民用和科学研究方面应用广泛。航空重力测量系统的出现使得高效、大范围的重力测量成为可能。在资源勘探方面要求重力测量系统的精度优于 ImGal (ImGal = 10_5m/s2 = I ii g)。高精度加速度计也是组成重力测量系统和重力梯度测量系统的关键元件，为了实现重力测量系统优于lmGaUlmGal = 10_5m/s2 =Iug)测量精度，则要求加速度计的分辨率要优于0. lmGal，重力梯度测量系统对加速度计测量精度的要求更高。这给惯性元器件的测试提出了更高的要求，尤其是高精度加速度计分辨率的测试。加速度计分辨率的测试一般采用倾角法来细分地球重力场作为输入加速度，对于分辨率大于0. g，可以使用分度头来完成重力加速度的细分。对于分辨率小于0. 0001 u g的加速度计，可以采用物体产生的万有引力作为输入加速度度进行测量。但是，对于分辨率从0. OOOlug到0. 5 ii g之间加速度计的测试没有好的解决方案。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种动态估算加速度计分辨率的方法。本发明的技术解决方案是一种动态估算加速度计分辨率的方法，步骤如下(I)将加速度计安装在用于标校加速度计的双轴转台台面上形成一个刚性整体，定义加速度计安装的坐标系为东北天地理坐标系，记为oxyz，加速度计绕oy轴转动后的坐标系为Ox1Y1Z1,完成安装后,进行步骤(2);(2)对用于采集加速度计输出的采样频率f、双轴转台的倾斜转动角度a和匀速旋转调制角速率《进行初始化设定，使得a e [-0.01°，0.01° ]，f>30Hz，《 G [5° /s, 30° /s] U [-30° /s, -5° /s]，s 为秒;(3)令加速度计以所述匀速旋转调制角速率《绕双轴转台的旋转轴Oz1匀速旋转，通过公式Sa= 0/(2 f)) ( a sin(P+ Wgtl)计算加速度计输出相邻采样点之间的加速度Sa，其中，0为加速度计绕双轴转台的旋转轴Oz1转过的角度，Y为加速度计输入轴方向与双轴转台的回转轴旋转时切向加速度之间的夹角，g0为重力加速度的天向分量；
(4)对加速度计的输出值进行数字滤波,滤波截止频率大于《/231，之后进入步骤(5)；(5)根据公式 AE = K6amax = K* O / (2 n f)) * a *g0 和 A Ep = (E^1-Ei)max 分别计算理论输出增量AE与加速度计实际输出增量AEp;其中，K为加速度计的标度系数，S afflax为相邻采样点之间加速度计输入变化的理论值的最大值；其中，K为加速度计的标度系数，8 afflax为相邻采样点之间加速度计输入变化的理论值的最大值；Ei+1和Ei为加速度计在相邻两个采样点输出的电流值，△ Ep取所有Ei+1和Ei差值的最大值，i为自然数屯即为在第一个采样点加速度计的输出电流值，E2为在第二个采样点加速度计的输出电流值，以此类推。(6)若加速度计实际输出增量A Ep与理论输出增量AE的比值大于0. 5，则加速度 计的分辨率为Samax;否则，按照步骤(2)中设定的范围调节a的大小后，返回步骤(3)。所述步骤(I)中安装加速度计时，加速度计的输入轴与双轴转台的旋转轴相互垂直。步骤⑷中滤波截止频率的选取范围为(I. 2*0/2 ) ,2*0/2 )]。加速度计在双轴转台上的安装台面与大地水平面之间的夹角范围为[-0.01°，0. 01° ]。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明采用倾角+匀速旋转调制方法更加细分重力加速度的分量，通过设置采样频率、旋转角速率和倾斜角度可以方便的确定理论输出增量AE的最大值对应的加速度变化S afflax,易于实现优于0. I U g输入加速度增量。(2)采用匀速旋转调制方法来细分重力加速度分量，易于加速度计输出信号与噪声分离，信噪比高，抗干扰能力强。(3)方法实现方便，并且可以对多组加速度计同时进行测试，测试效率高。
图I为本发明的工作流程图。图2为本发明涉及的坐标系及转动关系示意图。图3为本发明的加速度计的安装示意图。
具体实施例方式本发明提出了一种动态估算加速度计的分辨率的方法，采用对重力加速度进行更加细分(优于5X10_7g或者等效角度变化优于0. I")的措施来动态估算加速度计分辨率。如图I所示，其具体方法步骤如下所述(I)将加速度计安装在用于标校加速度计的双轴转台台面上形成一个刚性整体。所述的双轴转台为惯性器件通用测试设备之一，主要实现双轴的位置和速率功能。图2给出了加速度计坐标系及转动关系示意图，对加速度计安装按照图3安装方式进行。图2中，定义图中I为加速度计安装的坐标系为东北天地理坐标系，记为oxyz，2为绕oy转动后的坐标系为OXiy1Z1J为转过角度为a，4为绕Oz1转过的角度为P ,记坐标系为ox2y2z2，称为转动坐标系。图3中给出了加速度计的安装方式，加速度计的输入轴与旋转轴OZ1相互垂直，示图中5为双轴转台的安装台面，6为加速度计，7为加速度计质量检测中心与旋转中心的距离，记为R，8为加速度计输入轴方向与双轴转台的回转轴旋转时切向加速度之间的夹角，记为Y。由坐标系之间的变换关系推导易知，坐标系ox2y2z2与坐标系oxyz之间的变换为，
cos p sin P 0 cos a 0 —sin aC^=C^C^= -Sin^ cosjS 0 0 10
0 0 I sin a 0 cos a
cos a cos P sin P - sin a cos /3= -cos a sin cos/ sin a sin >0(1)
sin a0cos a那么，重力加速度在转动坐标系ox2y2z2下的分量，
cos a cos P sin /7 -sin a cos 0 - sin cos/ gox^Z2 = -cos a sin P cos/3 sin sin/ 0 = sin a sin 々 g。 (2)
sin a0cos a 」[_☆」cos a _取ox2作为输入轴方向，在此方向上的加速度记为a。由于加速度计输入轴方向与双轴转台的回转轴旋转时切向加速度之间的夹角Y导致的在加速度计输入轴上的分量为W2Rsin y。所以在ox2轴上加速度计的输入分量为，a = -sin a cos ( ^ + y ) g0+ co 2Rsin y (3)对式(3)求取全微分，可得加速度输入分量的变化量，8a = -6 a (cos a cos ( ^ + Y ) g0) + S 3 (sin a sin ( ^ + Y ) g0) +6 y (sin a sin ( ^ + Y ) g0+ 2Rcos y ) + (4)
2 8 co (coRsin y ) + 8 R(co2sin y )当a为一小角度常值时，并且假设Y、《、R为常值，那么式⑷整理可得，Sa= 8 ( a sin ( ^ + Y ) g0) (5)加速度的变化量达到最大值,其大小为S P ag(l。(2)对用于采集加速度计输出的采样频率f、双轴转台的倾斜转动角度a和匀速旋转调制角速率《进行初始化设定，使得a e [-0.01°，0.01° ]，f>30Hz，《 G [5° /s, 30° /s] U [-30。/s, -5° /s]，s 为秒。(3)令加速度计以所述匀速旋转调制角速率《绕双轴转台的旋转轴Oz1匀速旋转，通过公式Sa= 0/(2 f)) ( a sin(P+ Wgtl)计算加速度计输出相邻采样点之间的加速度ea，其中，P为加速度计绕双轴转台的旋转轴Oz1转过的角度，Y为加速度计输入轴方向与双轴转台的回转轴旋转时切向加速度之间的夹角，g0为重力加速度的天向分量；假设相邻采样点之间转过的角度为5 @，可知5 ^ = /(2 Jif)，代入式(5)可得，8a = (w/(2 f)) ( a sin ( ^ + Y ) g0) (6)(4)对加速度计的输出进行数字滤波，滤波截止频率大于《/2^1，之后进入步骤
(5);建议频率选取的范围为(1.2*( /2ji),2*( /2ji)]。
(5)根据公式 AE = KS amax = K* O / (2 n f)) * a *g0 和 A Ep = (E^1-Ei)max 分别计算理论输出增量AE与加速度计实际输出增量AEp;其中，K为加速度计的标度系数，S afflax 为相邻采样点之间加速度计输入变化的理论值的最大值；Ei+1和Ei为加速度计在相邻两个采样点输出的电流值，A Ep取所有Ei+1和Ei差值的最大值，i为自然数；(6)若加速度计实际输出增量A Ep与理论输出增量AE的比值大于0. 5，则加速度计的分辨率为Samax;否则，按照步骤(2)中设定的范围调节a的大小后，返回步骤(3)。根据单轴摆式伺服线性加速度计测试方法GJB1037A-2004，当加速度计输出实际增量平均值与理想输出增量平均值之比大于0. 5，即满足(AEp/AE) > 0. 5，则可以认为加速度计的分辨率为Sa_。否则，调整设定值进行下一轮分辨率估算。例如取a = 0. 0005。，co = 5。/s, f = 100Hz, = 3. 1416, K=L 25mA/g0 ；那么，理论输出增量如下，AE=L 25mA/g0* (5*0. 0175/ (2*3. 1416*100)) *0. 0005*0. 0175*g0= I. 25mA/g0*(l. 218*l(T9gQ) (7)= I. 52*l(T9mA若加速度计在5 amax对应的两点之间输出的变化值大于0. 76*10_9mA，那么认为加速度计的分辨率为I. 218*10_9g(l。否则，调整设定值进行下一轮分辨率估算。本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
权利要求
1.一种动态估算加速度计分辨率的方法，其特征在于步骤如下 (1)将加速度计安装在用于标校加速度计的双轴转台台面上形成一个刚性整体，定义加速度计安装的坐标系为东北天地理坐标系，记为oxyz，加速度计绕oy轴转动后的坐标系为OX1Y1Z1,完成安装后,进行步骤(2); (2)对用于采集加速度计输出的采样频率f、双轴转台的倾斜转动角度α和匀速旋转调制角速率ω进行初始化设定，使得a e [-0.01°，0·0Γ ]，f > 30Ηζ, ω e [5° /s，30。/s] U [-30。/s，-5。/s]，s 为秒; (3)令加速度计以所述匀速旋转调制角速率ω绕双轴转台的旋转轴Oz1匀速旋转，通过公式Sa= (ω / (2 f)) ( a sin ( β + Y ) g0)计算加速度计输出相邻采样点之间的加速度5a,其中，β为加速度计绕双轴转台的旋转轴Oz1转过的角度，Y为加速度计输入轴方向与双轴转台的回转轴旋转时切向加速度之间的夹角，g0为重力加速度的天向分量； (4)对加速度计的输出值进行数字滤波，滤波截止频率大于ω/2π，之后进入步骤(5)；(5)根据公式Δ E = K δ amax = K* (ω / (2 π f)) *a*g0 和 Δ Ep = (Ew-Ei)max 分别计算理论输出增量△ E与加速度计实际输出增量Λ Ep ； 其中，K为加速度计的标度系数，δ afflax为相邻采样点之间加速度计输入变化的理论值的最大值；Ei+1和Ei为加速度计在相邻两个采样点输出的电流值，Δ Ep取所有Ei+1和Ei差值的最大值，i为自然数； (6)若加速度计实际输出增量AEp与理论输出增量ΛΕ的比值大于O.5，则加速度计的分辨率为S Bmax;否则，按照步骤(2)中设定的范围调节α的大小后，返回步骤(3)。
2.根据权利要求I所述的一种动态估算加速度计分辨率的方法，其特征在于所述步骤(I)中安装加速度计时，加速度计的输入轴与双轴转台的旋转轴相互垂直。
3.根据权利要求I所述的一种动态估算加速度计分辨率的方法，其特征在于步骤(4)中滤波截止频率的选取范围为(I. 2*(ω/2 )，2*(ω/2 )]。
4.根据权利要求I所述的一种动态估算加速度计分辨率的方法，其特征在于加速度计在双轴转台上的安装台面与大地水平面之间的夹角范围为[-0.01°，0.01° ]。
全文摘要
一种动态估算加速度计分辨率的方法，通过双轴转台完成倾斜转角度设定、匀速旋转调制以实现对重力加速度的细分，并对加速度计输出的电信号进行采样、数字化存储，采用数字滤波的方式进行降噪以提取信号来获得加速度计的输出以确定其分辨率。本发明可测试的加速度计分辨率高，并且抗干扰能力强，可以作为高分辨率惯性测量装置和惯性导航加速度敏感元件的测试方法，特别适用于分辨率高于0.1μg的加速度计的测试。
文档编号G01P21/00GK102636664SQ201210122169
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月23日 优先权日2012年4月23日
发明者李海兵, 王晓东, 胡延祯, 郭刚, 韩军海, 马杰 申请人:北京航天控制仪器研究所