一种数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法

本发明涉及数字加速度计温度补偿(或简称“温补”)，具体涉及一种数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法。

背景技术：

1、石英挠性加速度计因其体积小、响应快、灵敏度高、重复性好等优点，目前已广泛应用于航空航天等重要领域。

2、作为惯性导航的核心组件，加速度计输出精度直接影响到导航系统的姿态、速度测量以及定位精度。且受石英材料影响，温度效应误差为石英挠性加速度计精度误差主要来源。现有技术已经提出了一些对加速度计进行温度补偿的方法，例如公开号为cn109141479 a的专利说明书公开了一种系统级加速度计温度补偿方法，实现了加速度计标度因数误差温度补偿模型和加速度计零位温度补偿模型的建立，较好的解决了惯性导航系统加速度计温度补偿这一工程应用问题，使得惯性导航系统温度适应性有了保证；公开号为cn 111679097 a的专利说明书公开了一种高精度的加速度计温度补偿方法，提出的是一种大理石工装单表级两向变温温度建模方法，消除了以往温度建模过程中捷联惯导组合本体、测试工装的变形对加速度计精度的影响。

3、随着捷联惯性导航系统的快速发展，为保证导航系统的快速启动精度，不可避免对加速度计的启动时间、启动段稳定性与启动段最大漂移误差等性能指标提出较高要求。

4、在实际应用中发现，数字石英挠性加速度计在非工作状态下充分散热后重新启动，其启动段输出存在与温度较强非线性，无法采用传统基于热平衡的温补模型进行温度补偿，这大大降低了加速度计冷态启动输出稳定性。

5、同时，由于石英挠性加速度计的重复性较好，这为其通过软件进行高精度温度误差补偿提供了重要基础。因此为满足高精度导航装备对加速度计启动段的高精度需求，提出一种用于加速度计冷态启动段的非线性温度补偿方法具有重要意义。

技术实现思路

1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法，该方法采用时间相关的类似正态分布的温补模型，利用智能优化算法对加速度计冷态启动段的强非线性温度特性进行拟合，以获得最优温补模型系数。本发明已成功应用于数字石英挠性加速度计中，适用于冷态启动段具有强非线性温度特性的各类加速度计温度补偿。

2、本发明从工程实际应用的角度出发，针对加速度计在冷态启动时，启动段输出的强非线性大大影响了加速度计输出精度，且不适用于传统基于热平衡的温度补偿模型的特点，提出一种数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法。

3、具体技术方案如下：

4、一种数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法，通过对加速度计冷态启动段进行测试，分离出加速度计冷态启动段由于冷态启动造成的加速度非线性输出特性，同时建立与时间相关的类正态分布非线性温度补偿模型，进一步利用智能优化算法对温度补偿模型中各系数进行优化，最后获得用于加速度计冷态启动段温度补偿的模型系数，进而实现加速度计的高精度冷态启动。

5、所述的数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法具体包括步骤：

6、步骤一，构建加速度计的冷态启动段输出误差温度补偿模型；

7、步骤二，利用高精度转台与可控温箱对整体温补后的加速度计进行冷态启动段测试；

8、步骤三，利用智能优化算法，以测量数据与拟合数据的误差平方和为适应度函数，对温度补偿模型中各温补系数进行在线智能优化；

9、步骤四，待智能优化算法满足终止条件，种群最优个体对应参数即为冷态启动段温度补偿模型的最优温补模型系数；当获取温度补偿模型最优系数后，将其代入步骤一建立的冷态启动段输出误差温度补偿模型中即完成加速度计的冷态启动段温度补偿。

10、步骤一中，所述温度补偿模型为时间相关非线性温补模型，包含时间相关修正系数与类正态分布模型，公式表示为：

11、

12、式中，等号右边第一项为时间相关修正函数，第二项为类正态分布温补模型；

13、δa(t,t)表示测量加速度的误差值，即真实加速度值应为加速度测量值a加上δa(t,t)；

14、i表示模型每一阶数，i∈[0,n]；n表示模型最高阶数，值取决于数据非线性度；

15、t为时间相关修正函数的时间变量；

16、ki为时间相关修正函数的调整系数；

17、t0为时间相关修正函数的终端时间；

18、t为类正态分布温补模型的温度变量；

19、α为类正态分布温补模型的幅度调整系数；

20、μ为类正态分布温补模型的初始温度调整系数；

21、σ为类正态分布温补模型的分散程度调整系数。

22、步骤一中，所构建的冷态启动段输出误差温度补偿模型中时间相关修正函数用于在指定时间内修正加速度计输出误差；所构建的冷态启动段输出误差温度补偿模型中类正态分布温补模型用以拟合补偿冷态启动段非线性输出特性，其中α用以修正非线性输出特性的幅度、μ用以修正非线性输出特性的初始温度、σ用以修正非线性输出特性的分散程度。

23、步骤二具体包括：在加速度计进行整体温补后，分别在圆周内各位置进行不同初始温度的冷态启动测试，最后将所测各组数据进行零位误差项处理以获得加速度计由于冷态启动而造成的非线性输出特性。

24、优选的，所述不同初始温度的选择范围为-40℃～80℃，每间隔10℃设置一初始温度。

25、步骤三中，以步骤二测试处理获得的加速度计冷态启动段输出非线性特性数据为训练数据，利用智能优化算法以步骤一建立的时间相关非线性温补模型为待训练模型，对模型内各温补系数进行优化。

26、在获得加速度计冷态启动段输出误差温度补偿模型的最优模型系数后，将温度补偿模型写入微处理器中，其中ki、t0、α、μ、σ为经优化算法求解的系数，为固定值；t为时间变量，需要通过微处理器进行计时，通常为整数倍的微处理器运行周期；t为温度变量，需要通过微处理器获得数字加速度计中温度传感器的实时温度参量。

27、步骤三中，以ki、t0、α、μ、σ为待优化温补模型系数，适应度函数表示为：

28、

29、u(k)为步骤二测试处理获得的加速度计冷态启动段输出非线性特性数据；

30、y(k)为对应温补系数经温度补偿模型拟合的数据。

31、步骤四中，待步骤三中智能优化算法中适应度函数值满足指定误差精度或种群迭代次数到达指定值时即结束参数智能优化，此时适应度函数最小值对应的种群个体即为温度补偿模型的最优模型系数。

32、优选的，所述的数字加速度计的冷态启动段非线性温补方法还包括步骤五，将辨识所得冷态启动段温度补偿模型与加速度计整体温补模型相结合实现自冷态启动段到热平衡状态的整体高精度温度补偿。

33、本发明与现有技术相比，有益效果有：

34、1、本发明针对数字石英挠性加速度计冷态启动段输出强非线性，提出了基于时间与类正态分布的温度补偿模型，其中时间相关模型用于保证加速度计冷态启动段的非线性温补，以及在非启动段热平衡状态下传统温补可正常作用。

35、2、本发明针对数字石英挠性加速度计冷态启动段输出强非线性，提出了基于时间与类正态分布的温度补偿模型，其中类正态温度补偿模型具有强非线性拟合能力，可通过相应参数修正拟合数据的幅度与离散程度。

36、3、本发明方法所建立的温补模型为冷态启动段输出误差温度补偿模型，可与整体温补模型相结合同时作用，且模型与输入加速度无关，即适用于加速度计各位置下冷态启动段温度补偿。

37、4、本发明方法在充分测试加速度计冷态启动段数据，保证重复性良好的条件下，利用智能优化算法对温补模型进行参数辨识，辨识过程离线进行，且智能算法的应用大大提高了模型辨识与启动段温度补偿的效率。