专利名称：一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法
技术领域：
本发明属于惯性技术领域，涉及惯性器件的系统级标定方法，具体地说，是指ー种光纤陀螺标度因数非対称性误差的系统级标定方法。
背景技术：
标定技术是惯性导航领域的核心技术之一，是ー种误差辨识技木，即建立惯性元件和惯导系统的误差数学模型，通过一系列的试验求解出误差模型中的误差项，进而通过软件算法来对误差进行补偿。标定可以从软件方面来提高惯导系统的精度，常见的标定误差项有加速度计和陀螺的零偏误差、标度因数误差、安装误差等。按层次来分，标定可分为分立式标定和系统级标定。当前分立式标定方法的理论研究已较为成熟，而系统级标定方法是由20世纪80年代开始发展起来，目前正成为标定技术研究的热点。分立式标定是直接利用加速度计和陀螺仪的输出作为观测量来对其误差參数进行辨识。国家军用标准光纤陀螺仪测试方法(GJB2426A-2004)规定了用于标定光纤陀螺仪标度因数不对称性的测试标准。分立式标定通过设计合适的旋转编排路径以抵消地球自转和重力加速度对惯导系统标定的影响。该方法标定精度受随机噪声影响，通常需对同一系统进行多次测试取其平均值。系统级标定是利用惯性导航输出的系统误差作为观测量来辨识惯性器件的误差參数。与分立式标定相比，系统级标定的算法相对复杂，但系统级标定能抑制标定过程中的测量噪声，并缩短标定时间，提高标定精度。系统级标定又分为拟合标定和滤波标定。通过建立特定运动激励并观察导航误差，拟合估计器件误差參数。拟合标定方法一般将导航速度变化率或比力作为观测量。滤波标定是指通过设计Kalman滤波器，将惯导系统各器件误差參数作为滤波器状态，观测导航误差滤波估计各器件误差參数。光纤陀螺是光学陀螺的ー种，是检测角速度的传感器。光纤陀螺采用的是Sagnac干渉原理，用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差，由此计算出旋转的角速度。光纤陀螺与传统的机械陀螺在原理上有本质的不同，具有机械陀螺无法比拟的优点，目前已经在惯性制导和导航领域内得到广泛应用。
发明内容
本发明为了解决现有技术中分立式标定方法受随机噪声影响大，标定精度受转台影响的技术问题，提供了一种光纤陀螺标度因数非対称性误差的系统级标定方法，所述的标定方法包括如下步骤步骤ー将惯组安装到转台上，惯组初始朝向为东-北-天(X-Y-Z)。惯组通电预热30分钟，采样周期dt=0. 01s。步骤ニ 第一位置旋转开始采集惯组数据，首先静置15秒 30秒，然后使惯组以Vl的角速度绕X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒，停止采数。、
步骤三第二位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤ニ旋转完毕位置静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤四第三位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤三旋转完毕位置静置15秒 30秒,然后使转台以vl的角速度绕惯组X轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤五第四位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤四旋转完毕位置静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤六第五位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤五旋转完毕位置静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静 置15秒 30秒。停止采数。步骤七第六位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤六旋转完毕位置静置15秒 30秒,然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤八第七位置旋转将惯组安装到转台上，三个坐标轴Y-Z-X分别朝向天一东ー北。开始采集惯组数据，首先静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤九第八位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤八旋转完毕位置静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤十第九位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤九旋转完毕位置静置15秒 30秒,然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒。停止采数。步骤十一对以上各组惯组采集的数据分别进行离线导航解算，并计算系统速度误差。步骤十二 设计卡尔曼滤波器，得到系统速度误差ー阶导数的t时刻的估计量。步骤十三解析计算，求出加速度计的二次项系数误差。步骤十四将步骤一到步骤十重复执行2次，旋转的角速度分别取为v2和v3。对采集得到的数据进行误差观测和解算，方法与步骤十一到步骤十三相同。对计算得到的不同角速度下的光纤陀螺标度因数非対称性误差结果取平均值，作为最终标定結果。所述的速度vl、v2、v3均在10。/s 30。/s范围内选取,并且vl、v2、v3互不相等。并优选为vl为10° /s，v2为20° /s，v3为30° /s。本发明的优点在于(I)基于系统级方法可准确地标定出光纤陀螺的标度因数非対称性误差。(2)可有效降低随机噪声对标定结果的影响，减小标定对转台精度的依赖程度。
图I :本发明提供的标定方法中转台旋转路径编排示意图疒图10 :分别为第一位置 第九位置旋转过程导航速度误差，通过对各组旋转过程中的仿真器件数据(含误差)进行惯性导航解算得到；图If 19 :分别为第一位置 第九位置旋转过程速度误差变化率的估计值。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。如图I所示的转台旋转路径编排示意图，本发明通过转台的九位置旋转，计算得到系统速度误差，通过卡尔曼滤波器得到系统速度误差ー阶导数的t时刻的估计量，最后通过加速度计的二次项系数误差，为了确保最终标定结果的准确性，转台重复三次进行九位置旋转，并将三次计算得到的二次项系数误差进行平均作为最終的标定结果，具体标定 方法如下步骤ー将惯组安装到转台上，惯组初始朝向为东-北-天(X-Y-Z)。惯组通电预热30分钟，采样周期dt=0. 01s。步骤ニ 第一位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先静置15秒，然后使惯组以10° /s的角速度绕X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒，停止采数。步骤三第二位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤ニ旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤四第三位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤三旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组X轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤五第四位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤四旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤六第五位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤五旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤七第六位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤六旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Y轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤八第七位置旋转，见图I。将惯组安装到转台上，三个坐标轴Y-Z-X分别朝向天ー东ー北。开始采集惯组数据，首先静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤九第八位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤八旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。步骤十第九位置旋转，见图I。开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤九旋转完毕位置静置15秒，然后使转台以10° /s的角速度绕惯组Z轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒。停止采数。至此共九位置旋转完毕。
步骤十一对以上各组惯组采集的数据分别进行离线导航解算，并计算系统速度误差，见图2 图10。将每次数据采集对应的起始时刻记为Ttl，转动前静置15秒的末时刻记为T1，转动完静置15秒的末时刻记为T2。由于惯组只有角运动没有线运动，系统速度误差AM/>可用下式表示δν[(Ι)= (()其中i = I 9,表示第i位置旋转。j=x, y, z,表示对应j轴向的速度误差，V*(I)为导航解算得到的t时刻的速度。步骤十二设计卡尔曼滤波器。状态变量为[Λ/ル) ；(/) >(/)]其中％⑴和
分别为系统速度误差的一阶导数和ニ阶导数。使用标准卡尔曼方程进行迭代，滤波完毕可得到系统速度误差ー阶导数的t时刻的估计量 ^(/)，见图11-图19。
系统状态方程
「a,:(/)l「O I Olfdviml「O — d }. J.— Qv1j (/) = 001 dv'At) + 0
dimt) Lo ° oJwj观测方程
^dv]{t)Zi. = [I 0 Ol δν]( ) +μ;其中％和μ j分别为状态噪声和观测噪声，Zj为j轴的观测量。步骤十三解析计算，求出加速度计的二次项系数误差。首先令
O1^ ^(T2)-Siilx(Tl)
=^l(T2)-^iv(Tl)其中i = I 9,表示第i位置旋转。j=x, y, z,表示对应j轴向的速度误差。误差观测方程如下表I所示表I误差观测方程
权利要求
1.一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法，其特征在于包括如下步骤 步骤一将惯组安装到转台上，惯组初始朝向为东-北-天；惯组通电预热，设定采样周期； 步骤二 第一位置旋转开始采集惯组数据，首先静置15秒 30秒，然后使惯组以Vl的角速度绕X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15 30秒，停止采数； 步骤三第二位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤二旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组X轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤四第三位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤三旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组X轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤五第四位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤四旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤六第五位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤五旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤七第六位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤六旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Y轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤八第七位置旋转将惯组安装到转台上，三个坐标轴Y-Z-X分别朝向天-东-北；开始采集惯组数据，首先静置15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤九第八位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤八旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴正向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤十第九位置旋转开始采集惯组数据，首先使惯组在步骤九旋转完毕位置静置.15秒 30秒，然后使转台以vl的角速度绕惯组Z轴负向旋转180°，旋转完毕再静置15秒 30秒；停止采数； 步骤十一对以上各组惯组采集的数据分别进行离线导航解算，并计算系统速度误差; 步骤十二 设计卡尔曼滤波器，得到系统速度误差一阶导数的t时刻的估计量； 步骤十三解析计算，求出加速度计的二次项系数误差； 步骤十四将步骤一到步骤十重复执行，每次重复执行都更换不同的旋转角速度；对每次重复执行采集得到的数据进行误差观测和解算，方法与步骤十一到步骤十三相同；对计算得到的不同角速度下的光纤陀螺标度因数非对称性误差结果取平均值，作为最终标定结果;
2.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法，其特征在于步骤一中所述的惯组通电预热时间为30分钟，采样周期dt=0. Ols0
3.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法，其特征在于所述的旋转角速度在10° /s 30° /s范围内选取，并且每次旋转角速度互不相等。
4.根据权利要求I所述的一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法，其特征在于步骤十四中，步骤一到步骤十重复执行2次，每次的旋转角速度分别为vl为10。/s，v2 为 20° /s，v3 为 30° /s。
全文摘要
本发明公开了一种光纤陀螺标度因数非对称性误差的系统级标定方法，属于惯性技术领域。本发明通过转台的九位置旋转，计算得到系统速度误差，通过卡尔曼滤波器得到系统速度误差一阶导数的t时刻的估计量，最后通过加速度计的二次项系数误差，为了确保最终标定结果的准确性，转台重复多次进行九位置旋转，并将多次计算得到的二次项系数误差进行平均作为最终的标定结果。本发明解决了现有技术中分立式标定方法受随机噪声影响大，标定精度受转台影响的技术问题，可准确地标定出光纤陀螺的标度因数非对称性误差；有效降低随机噪声对标定结果的影响，减小标定对转台精度的依赖程度。
文档编号G01C25/00GK102680005SQ20121018392
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者张春熹, 李保国, 汤卓, 芦佳振 申请人:北京航空航天大学