一种基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性敏感元件领域，具体涉及一种数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理 提出的基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法。
【背景技术】
[0002] 捷联惯性导航系统的工作原理是将其输出通过捷联矩阵转换到导航坐标系，结合 一定的初始信息，再通过一定的导航解算，确定载体的速度、位置和姿态信息。然而，捷联惯 导系统作为一种自主式的导航系统，在使用过程中会难免会存在一些系统误差，如果不及 时对这些误差进行修正，最终度会影响系统的导航精度。若要对这些误差进行补偿，首先必 须利用高精度的惯性测量器件对其进行标定，所以对标定技术的研究对提高整个系统的导 航精度具有非常重要的意义。
[0003] 现阶段捷联惯导系统中光纤陀螺标度因数的标定主要是通过转台速率实验完成。 这种标定方法的优点是其原理简单，而且利于实验室实现。该方法通过分析惯性组件的误 差方程，建立其输入与输出的关系，通过分析，设计合理的标定路径以激励出误差方程中的 各项参数。在惯导系统的实际工作过程中，将标定所得的结果进行补偿以提高系统的导航 精度。但其存在实验中，转台输入角速率太小会使陀螺处于非线性区，标定出来的标度因数 精度不高；角速率太大则增加了对转台的难度要求；采样点太密则时间成本太高；采样点 太疏则测量误差风险增大；这种标定方法基于转台，必须在实验室中进行，在实际应用中不 能有效地提高工作效率，较为繁琐等问题。
[0004] 从以上问题可看出，目前光纤陀螺标度因数的标定效率并不高，需要新方法来提 1?效率，本文就标度因数的标定方法展开研究，旨在提1?光纤陀螺标度因数的标定效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 包括如下步骤：
[0008] (1)通过现有的标定方法可以看出标定过程中，转台输入角速率在20° /s左右 时的标度因数线性度好且标定精度高，并想以0.0Γ /s、0. Γ /s、l° /s为步长找到其对 应的阶梯波信号的数字量，通过转台速率实验，分别记录20° /s、20.〇r /s、20. Γ /s、 2Γ /s这几种角速率输入情况下，陀螺输出的数字量；
[0009] (2)分别计算不同速率条件下转台绕X、Y、Z轴转动时的陀螺输出均值Ng+、 数据处理时用整圈标定法，取整圈的数据使水平轴上地球自转角速度的分量能在在台体旋 转一周时被平均掉，提1?标定精度；
[0010] 输入角速率为20° /s时；以20° /s的角速度转动一周T = 360/20 = 18s ;分别 截取Z轴正、反转的第20s - 560s的数据，转动圈数N = 30 ;在绕Z轴正反转时，计算得到 了正、反转时陀螺输出数字量总和Σ Ν8Ζ+、Σ Ngz_
[0011]
【主权项】
1. 一种基于数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理的光纤陀螺自标定方法，其特征在于， 包括如下步骤： (1) 通过现有的标定方法可以看出标定过程中，转台输入角速率在20° /s左右时的标 度因数线性度好且标定精度高，并想以0.0Γ /s、〇. Γ /s、l° /s为步长找到其对应的阶 梯波信号的数字量，通过转台速率实验，分别记录20° /S、20.01° /s、20. Γ /s、21° /s 这几种角速率输入情况下，陀螺输出的数字量； (2) 分别计算不同速率条件下转台绕X、Y、Z轴转动时的陀螺输出均值5Jg+、??ρ，数据 处理时用整圈标定法，取整圈的数据使水平轴上地球自转角速度的分量能在在台体旋转一 周时被平均掉，提1?标定精度； 输入角速率为20° /s时；以20° /s的角速度转动一周T = 360/20 = 18s;分别截取 Z轴正、反转的第20s - 560s的数据，转动圈数N = 30 ;在绕Z轴正反转时，计算得到了正、 反转时陀螺输出数字量总和ΣΝ8Ζ+、ΣΝ8Ζ_
(3) 将步骤（2)得到的数字量均值做差，分别得到各轴0.0Γ /s、0. Γ /s、l° /s的 角速度输入对应的陀螺输出：
(4) 根据数字闭环光纤陀螺的阶梯波调制原理，当光纤环敏感到角速度时，光纤环路 中传输方向不同的两束光将产生正比于旋转速率Ω的萨格奈克相位差（^为
阶梯波加在Y波导的相位调制器上，引起的两束光之间的相位差为 0J= φ τ ) 其中，φπα)为阶梯波调制造成顺时针传输的光产生的附加相移，Φπα-τ)为阶梯 波调制造成逆时针传输的光所产生的附加相移；偏置信号是用方波，该方波信号的周期为 2 τ，方波调制信号作为偏置信号，在正负半周产生的相移为Φ/ = ;则阶梯波和方波，在 萨格奈克干涉仪中产生的非互易相移为： Δ Φ = Φ3+Φ^Φ?, 其中Os为萨格奈克相移，Φ」为阶梯波的附加相移，Φ f为方波的附加相移； sagnac干涉仪的输出信号为 I=A* [1+cos (ΦΗ+Φ j+〇f)], 在方波的正半周，sagnac干涉仪的输出信号为 I = A · [Ι-sin (Φ3+Φ j)], 在方波的负半周，sagnac干涉仪的输出信号为 I=A* [1+sin (Φ3+Φ j)], 将方波正半周和负半周输出的信号相减得 Δ I = -2Asin(ΦΗ+Φj), 当ΛΙ尹0时，便可用ΛΙ作为反馈量控制阶梯波高度，使得Φ3+Φ』趋近于0,在数字 闭环光纤陀螺系统中，阶梯高度就是陀螺输出的角速率信号； (5) 将计算所得数字量利用VHDL语言加到FPGA上，产生梯度相等，时间间隔也相等的 阶梯波，持续时间为1分钟，通过数字信号处理使光纤环在没有敏感到角速度的情况下产 生非互易相移，记录下此时陀螺输出的数字量； (6) 由步骤（5)得到输出数据点，依次取角速率ω」对应的输出数字量的一段数据求 均值，得到该速率点对应的输出N^1;截取测试开始时的部分光纤陀螺仪的输出量求均值 Ntl，则％= N ，消除地球自转角速度对测试结果的影响，用最小二乘法拟合直线Nj = K · ω 1+Ν。，用最小二乘法求出斜率K
其中M为输入角速率的个数，K即陀螺的标度因数。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理的光纤陀螺自 标定方法，其特征在于：所述步骤（1)以0.0Γ /s、0. Γ /s、l° /s为步长找到对应的阶 梯波信号的数字量， 在转台以20° /s转动时，测出陀螺输出数字量&2(|。/s N外 20。/s = N 内 20。/s 转台以20. 0Γ /s转动时，测出陀螺输出数字量Nfh2aciin /s
【专利摘要】本发明属于惯性敏感元件领域，具体涉及一种数字闭环光纤陀螺阶梯波调制原理提出的基于阶梯波调制的光纤陀螺标度因数的自标定方法。本发明包括：记录陀螺输出的数字量；分别计算数据处理时用整圈标定法；将角速度输入对应的陀螺输出；光纤环路中传输方向不同的两束光将产生正比于旋转速率的萨格奈克相位差；将计算所得数字量利用VHDL语言加到FPGA上；用最小二乘法求出斜率。本发明所提出的标定方法不基于转台，可以解决转台标定的过程中转台输入角速率太小会使陀螺处于非线性区，标定出来的标度因数精度不高；角速率太大则增加了对转台的难度要求的问题，去除了惯性测量元件精度和性能的好坏对标定结果的影响。
【IPC分类】G01C25-00
【公开号】CN104634364
【申请号】CN201510046553
【发明人】吴磊, 张思, 高伟, 薛冰, 许伟通, 谢睿达, 邓丽颖, 孙妍忞, 王琬璐, 周佳欣
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月29日