一种用于中低精度的光纤惯组快速标定方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于中低精度的光纤惯组快速标定方法，属于惯性测量技术领域。本方法根据设计的标定路径控制转台转动惯性测量单元，依次测量东北天方位、地北东方位、地东南方位和东天南方位的输出数据以及方位转换过程中的输出数据；再通过光纤陀螺和加速度计的数学模型，标定光纤陀螺和加速度计的标度因数和零偏。本发明可在短时间内较精确地标定出光纤陀螺零偏和比例因子以及加速度计零偏和比例因子共十二个误差系数，标定效率高、简单易行，适合于批量生产的中低精度光纤惯组的快速标定，同时可促进其他中低精度惯性器件的推广应用。
【专利说明】
一种用于中低精度的光纤惯组快速标定方法
技术领域
[0001] 本发明是一种标定方法，涉及惯性技术领域，具体涉及一种中低精度光纤惯性测 量单元的快速标定方法。
【背景技术】
[0002] 惯性测量单元(IMU)由中、低精度光纤陀螺和石英挠性加速度计构成，其在军民领 域有着很广泛的应用，如直升机、无人机、空空导弹、摄像稳定系统等。日本的JEA、美国的 HoneywelULitton等公司已批量生产多种级别的光纤陀螺，在干涉型光纤陀螺的实用化， 特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在世界前列。中、低精度的光纤陀螺进入产 品化阶段，在军用民用领域如航空航天、汽车工业、机电工业、电子技术、控制科学和信息科 技等领域已有广泛应用。
[0003] 惯性测量单元在成品之后，必须要对其进行误差项的标定。标定技术本质是一种 误差补偿技术，即建立惯性组件测量误差的准确模型，并合理的设计实验来激励惯性组件 的误差源，使得各误差系数都能被确定，最终通过对惯性组件的输出进行软件补偿来减小 惯性组件的误差。
[0004] 惯性器件的误差是惯导系统的主要误差源，提高惯性器件的精度是惯导系统研制 的核心。对惯性器件进行误差补偿是提高惯导系统导航精度的有效途径。误差补偿的关键 是准确的取得误差的参数值，误差标定则是误差补偿的前提。惯性器件的性能，尤其是零偏 和标度因数随着使用环境变化较大，此时必须要用软件补偿的方法即误差补偿，提高惯性 器件的精度，提高稳定性。标定技术是用于确定惯性器件主要性能参数的测试技术。标定的 前提是建立输入输出关系的数学模型，为了分离和计算有关的惯性仪表的参数，就需要做 精密的测试和测量。通过分离和计算有关的惯性仪表的参数，利用专门的测试设备，标定出 仪表和系统的误差项，并代入陀螺和加速度计的模型中，并在导航解算过程中加以补偿，可 以有效提高导航精度。惯性器件误差是惯性系统最根本的误差源。按模型对惯性器件误差 进行测量与校正是提高惯性器件精度的一条十分有效的技术途径。测试结果是惯性器件性 能评价的主要依据。
[0005] 目前，国内第二炮兵装备研究院，国防科技大学，北京航空航天大学，北京理工大 学等院校运用不同的方案对惯性器件进行标定，主要有六位置、十二位置、二十四位置标定 等位置标定方法。常规标定方法标定位置多，标定时间长;数据量大，需要记录的数据多;数 据处理方法复杂，计算量大。针对大批量生产的惯性测量单元，需要探索新的快速标定方法 来满足中、低精度光纤惯组产业快速发展的需求。发明一种对中、低精度光纤惯组快速标定 方法具有一定的工程意义。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有标定方法数据量大，标定时间长的问题，本发明提供了一种用于中 低精度的光纤惯组快速标定方法。
[0007] 本发明提供的用于中低精度的光纤惯组快速标定方法，在安装好光纤惯组的测试 装置后，然后进行如下步骤：
[0008] 步骤一，设定光纤惯组输出数据的采样时间间隔和采样次数；
[0009] 步骤二，标记光纤惯组的4种方位状态为：1位置为东北天方位，2位置为地北东方 位，3位置为地东南方位，4位置为东天南方位;执行下面步骤a~g;
[0010] 步骤a，控制转台，使光纤惯组置于1位置处锁定转台，采集光纤惯组处于静态测试 lmin的数据，求出该状态下陀螺仪及加速度计各轴向输出数据的平均值；
[0011]步骤b，以5°/s绕1位置的y轴正向旋转90°，采集X轴陀螺数据输出，转至2位置，求 出该输入角速度下y轴光纤陀螺仪输出数据的平均值；
[0012]步骤c，在2位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺 仪及加速度计各轴向输出数据的平均值；
[0013]步骤d，以5° /s绕2位置的X轴正向旋转90°，采集X轴陀螺数据输出，转至3位置，求 出该输入角速度下X轴光纤陀螺仪输出数据的平均值；
[0014]步骤e，在3位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺 仪及加速度计各轴向输出数据的平均值；
[0015]步骤f，以5°/s绕3位置的z轴正向旋转90°，采集z轴陀螺数据输出，转至4位置，求 出该输入角速度下y轴光纤陀螺仪输出数据的平均值；
[0016] 步骤g，在4位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺 仪及加速度计各轴向输出数据的平均值。
[0017] 步骤三，根据所采集的输出数据，通过光纤陀螺和加速度计的数学模型，标定光纤 陀螺和加速度计的标度因数和零偏。
[0018] 本发明的优点与积极效果在于:本发明结合长期光纤惯组测试的实际经验，目的 是提高组合测试精度、简单性、方便性，以及不同型号组合测试方法的一致性。依据本发明 所设计的标定路径可在6min内完成加速度计和陀螺的零偏及标度因数的标定，采用位置速 率并行测试，大大缩短了测试时间。本发明方法适用于一般的中低精度惯性测量组合的参 数标定，测试时间短，参数精度高，测试结果一致性好，但测试时需进行对北调平。同时，本 发明研究的相关理论与方法，可以推广到其他惯性器件的标定中。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明标定方法中的标定路径示意图；
[0020]图2是本发明的中低精度的光纤惯组快速标定方法的一个流程实施示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0022] 光纤惯组是由光纤陀螺、加速度计组成，单个仪表误差也是标定的对象，仪表输出 与测量的真实值有比例关系，叫做标度因数，当测量的真实值为零时，仪表输出不为零，称 为零偏。标定的实质即为标度因数、零偏的获取和补偿。
[0023] 惯性测量单元(MU)测试的基本原理是利用外部输入信号激励，获取陀螺、加速度 计在各个位置或速率下的输出数据，代入标定模型方程，计算出陀螺、加速度计的误差参 数。本发明的标定方法针对中低精度光纤惯组系统，也可用于其他中低精度的惯组系统。因 讨论的是一种通用标定方法，认为加速度计和陀螺输出均为线性模型。各地重力加速度g的 值是各不相同的，其计算模型如下：
[0024] g = g〇( 1+0.0052884sin2 Φ -3.14 X 1〇Λ)-〇. 0000059sin22 Φ (1)
[0025] 式中，go = 9.780 49m/s2为赤道重力加速度；Φ为炜度;h为海拔高度。
[0026]对于指北方位系统，平台要跟踪地理坐标系。在东北天坐标系的情况下，由地球转 动引起的地理坐标系的角速度，它的三个分量为 ?iex=〇
[0027] < oiey =oie cosΦ (2) -φ
[0028] 其中，Φ为当地炜度，t〇ie为地球自转角速度，coiex、co iey和coiez为角速度coie在X 轴、y轴和Z轴上的分量。
[0029] 实验室进行常规速率、位置标定时，惯组的输入信号激励来自以下几个部分：
[0030] 1)重力加速度
[0031] 加速度计敏感视加速度信息，在静态条件下，其信号输入来自当地重力加速度lg。 以Az加速度计为例(不考虑常值零位），当惯组z轴竖直朝上时，z加速度计理论输出是lg;当 惯组z轴竖直朝下时，z加速度计理论输出-lg，当惯组z轴处于水平方向时，不考虑安装误差 的影响，z加速度计理论输出为0g。
[0032] 2)地球自转角速度
[0033] 在实验室静态条件下，地球自转角速度是陀螺测试的主要激励信号源，地球自转 角速度《ie大小约为15.04107°/h，以G z陀螺为例（不考虑常值零位），当惯组z轴竖直朝上 时，z陀螺理论输出是ω ie sinC> ;当惯组z轴竖直朝下时，z陀螺理论输出-ω iesinC>，当惯 组z轴处于水平北向时，z陀螺理论输出为coie C0S(D，当惯组z轴处于水平南向时，z陀螺理 论输出为_?le cos?，当惯组z轴处于水平东西方向时，z陀螺理论输出为0°/h。
[0034] 3)转台角速度
[0035] 陀螺在静止时可敏感地球自转角速度，一般可将地球自转角速度作为标定陀螺的 激励输入。实际上，实验室标定时，由于地球自转角速度太小（15.04107° /h = 7.292E-05rad/s)而不能作为陀螺标定的参考，陀螺标度因数的标定采用转台提供参考角速率的方 法进行标定，采集陀螺的输出，根据输入输出关系可以标定出陀螺的参数。当转台绕z轴以 V° /s速率转动时，根据输出脉冲数Μ可知2陀螺的标度因数Kgz=M/V。
[0036] 转台带动MU运动进行标定过程中，需要设计有效转动路径，使得因系统参数误差 引起的IMU标定误差被有效的激励出来，如标定加速度计相关参数误差需要将其置于重力 加速度输入的静态环境下，标定陀螺相关参数误差需要将其置于较大角速度如5~10°/s输 入的转动环境下，由此保证标定精度。
[0037]根据以上激励信号，利用转台进行速率转动、位置定位，可建立标定模型，测试计 算得到惯组误差参数。
[0038]由于陀螺测量时存在噪声，通常情况下，通过延长测试时间标定时获得比较理想 的结果。本发明标定方法中采用先将陀螺输出的原始数据运用小波滤波的方法进行消噪处 理，再计算误差系数，可缩短测试时间，又能保证标定精度。
[0039] 在采用静态试验求加速度计和光纤陀螺的零位漂移时，基于地球重力和自转角速 率在不同位置在X、y、z轴上投影不同进行的。在水平位置上重力加速度是没有分量的，此时 加速度计无法敏感到任何外界输入，输出量中除少量的安装误差，其它的视为是零位误差， 取加速度计在不同水平位置输出值的均值对零位漂移进行误差修正。地球自转速率对光纤 陀螺而言，在东西方向上是没有分量的，以除少量的安装误差外，陀螺的输出几乎都是零位 误差，取光纤陀螺在东西方向上输出值的均值作为零位漂移进行误差修正。安装误差相对 于零位漂移是小量，在此不进行安装误差的设计。零位漂移修正试验陀螺及加速度计的测 试方位如表1所不。
[0040] 表1零位漂移修正试验陀螺及加速度计的测试方位
[0042]光纤陀螺静态数学模型如下：
[0043] < 心=5财+~·％ (3)
[0044]式中，Ngx、Ngy、NgZ分别为x、y、z轴上光纤陀螺的输出；
[0045] Bgx、Bgy、Bgz分别为三个轴光纤陀螺的零偏；
[0046] Kgx、Kgy、Kgz分别为光纤陀螺的标度因数；
[0047] ωχ、ωγ、(〇2分别为x、y、z轴上光纤陀螺输入的角速度。
[0048] 石英加速度计静态数学模型如下：
[0049] < Ν?=Β?+Κ?^ (4) Ν, -Β +Κ 欠 az az az z
[0050] 式中，Nax、Nay、Naz分别为x、y、z轴上加速度计的输出；
[00511 Bax、Bay、Baz分别为x、y、z轴上加速度计的零偏；
[0052] Kax、Kay、Kaz分别为x、y、z轴上加速度计的标度因数；
[0053] Ax、Ay、Az分别为x、y、z轴上加速度计输入的加速度。
[0054]惯组的误差参数包括零偏、标度因数、安装误差、振动误差、温度误差及二次项误 差等，而这些误差参数中，零偏和标度因数在对惯组精度的影响远远大于其他误差参数，故 本发明从误差参数零偏、标度因数两方面入手进行快速标定。
[0055] 1)零偏
[0056]惯性器件零偏：当输入为零时，惯性器件的输出量。系统零偏是指三个陀螺的零偏 和三个加速度计的零偏。三个陀螺的零偏为Bgx、Bgy、Bgz，单位为°/h，三个加速度计的零偏为 Bax、Bay、Baz，单 ???·为Ill/s。
[0057] 2)标度因数
[0058] 输入坐标系与输出坐标系一致时，输出量与输入量的比值。陀螺误差模型中陀螺 输入量为转台转速，陀螺输出值作为输出。陀螺标度因数为K gx、Kgy、Kgz;加速度计误差模型 中的输入量为重力加速度，加速度计输出值作为输出。加速度计标度因数SK ax、Kay、Kaz。
[0059] 仅考虑零偏，忽略安装误差和陀螺的其他误差。陀螺敏感角速度信息，在动态条件 下，其信号输入来自当转台转速。以z轴的陀螺为例，不考虑常值零位，当转台绕惯组z轴以 5° /s匀速转动时，z陀螺理论输出是5° /s，其标度因数1^ =他/5为陀螺输出脉冲数均值； 当转台绕惯组ζ轴以-5°/s勾速转动时，2陀螺理论输出是-5°/s，其标度因数1^ =见/(-5)。 当惯组z轴处于东向时，不考虑安装误差的影响，z陀螺理论输出为0，当z陀螺输出不为0时， 视为陀螺零偏。
[0060] 陀螺误差模型中，设Gij为在第i个测量位置上、j轴陀螺的输出，i = 1，2，3，4; j = x， y，z。定义
[0061] Gix2+Giy2+Giz2= ω?02 (5)
[0062] 仅考虑零偏，忽略安装误差和陀螺的其他误差，可以建立解析基准：
[0063] (gix+bx) 2+ (giy+by) 2+(giz+bz)2 =mi2 (6)
[0064] 式中为陀螺在i位置、j陀螺输入轴上的投影：
[0065] (7)
[0066] 其中，g表示重力加速度矢量，&是1位置、j陀螺沿输入轴的单位矢量。
[0067] bj为陀螺零偏，相当于公式⑶中Bgj，j = x，y，z;且式(6)中有3个未知数，取i = l， 2，3，即考虑3位置标定情形，可以得到3个测量方程：
[0068] (gix+bx) 2+ (giy+by) 2+(giz+bz)2 =mi2 (8.1)
[0069] (g2x+bx) 2+ (g2y+by) 2+(g2z+bz)2 =m22 (8.2)
[0070] (g3x+bx) 2+ (g3y+by) 2+(g3z+bz)2 =m32 (8.3)
[0071] mi为在i位置的重力加速度。
[0072] 记zFnuW，展开并忽略二阶小量，则有 Six Sly Slz
[0073] 2 g2x g2y g2z by = z, (9) §3y g3zJLbJ LZ3_
[0074] 式(9)为陀螺组合3位置零偏标定方程。则陀螺零偏测量值计算为：
CIO)
[0076]加速度计误差模型中，设Aij为在第i个测量位置上、j轴加速度计的输出，i = l，2， 3，4; j = X，y，z。仅考虑零偏，忽略安装误差和加速度计的其他误差。加速度计敏感视加速度 信息，在静态条件下，其信号输入来自当地重力加速度g。以z轴加速度计为例，不考虑常值 零位，当惯组z轴竖直朝上时，z轴加速度计理论输出是lg，其标度因数K az = N2/(lg)，N2为加 速度计输出脉冲数均值；当惯组Z轴竖直朝下时，Z轴加速度计理论输出-lg，其标度因数Kaz = NV(-lg);当惯组z轴处于水平方向时，不考虑安装误差的影响，z加速度计理论输出为 〇g，当z加速度计输出不为Og时，则视为零偏。
[0077] 本发明是一种基于双轴转台的中低精度光纤惯组快速标定的方法。设速率试验 中，符合右手定则的为正转，反之为反转。按照图1中所示标定路径进行标定，依次将X、Y、Z 轴加速度计的主轴处于当地地垂线方向，Χ、γ、ζ轴陀螺的主轴处于东向或西向。按照所设计 的路径转动，记录各加速度计和陀螺仪的输出值。在任意时刻t，记录X、Υ、Ζ三轴上加速度计 和陀螺仪的输出。
[0078] 本发明实施例中，转台的精度可达到1.5〃以内，转台误差对测试精度的影响较小， 根据标定测试的方法，完整的一次标定需要完成速率标定和位置标定，如图2所示，本发明 实施例的具体标定流程如下：
[0079] 步骤1，产品安装:将光纤惯组安装在测试工装，把测试工装安装到双轴转台上，定 位靠紧，该步骤需要注意的是光纤惯组的定位面与工装定位面之间尽可能的靠紧，不能出 现缝隙，否则会导致测试结果中带入了较大的人为安装误差(非惯组自身误差）。
[0080] 步骤2,线路连接:连接测试系统与转台、光纤惯组之间的电缆。
[0081] 步骤3,程序启动:按专用技术条件设定光纤惯组输出数据的采样时间间隔和采样 次数，记录光纤惯组在测试时间内的数据输出。根据香农采样定理设置数据采样速率，为了 不失真地恢复模拟信号，数据采样速率应至少是模拟信号频谱中最高频率的两倍。
[0082] 步骤4，预热启动：启动测试电脑，启动光纤惯组，开始预热，一般预热时间为20miη ~25min，待陀螺、加速度计输出数据稳定。
[0083]步骤5，位置标定与速率标定：如图1所示，标记光纤惯组的4种方位状态分别为：1 位置为东北天方位，2位置为地北东方位，3位置为地东南方位，4位置为东天南方位。
[0084] 步骤a，控制转台，使惯组置于东北天的位置，在东北天位置处锁定转台，利用软件 采集惯组处于静态测试lmin的数据，数据文本记为"东北天.txt"，求出该状态下陀螺仪及 加速度计各轴向输出数据的平均值;在本步骤，能够激励出东向X陀螺的零偏B gx和天向ζ加 速度计的标度因子Kaz、东向X加速度计的零偏Bax、北向y加速度计的零偏B ay;
[0085] 步骤b，数据采集完毕，以5°/s绕"1位置"y轴正向旋转90°，此时利用软件采集X轴 陀螺数据输出，转至地北东位置，数据文本记为"y+5.txt"，求出该输入角速度下y轴光纤陀 螺仪输出的平均值;在本步骤，光纤陀螺坐标由东北天位置匀速转到地北东位置，采集Y轴 陀螺数据，能够激励出Y轴陀螺的标度因数K gy;
[0086] 步骤c，在地北东位置处锁定转台，利用软件采集惯组静态测试lmin数据，数据文 本记为"地北东.txt"，求出该状态下陀螺仪及加速度计各轴向输出数据的平均值;在本步 骤能够激励出东向Z陀螺的零偏B gz和地向X加速度计的标度因数Kax、北向Y加速度计的零偏 Bay、东向Z加速度计的零偏匕2;
[0087]步骤d，数据采集完毕，以5°/s绕"2位置"x轴正向旋转90°，此时利用软件采集X轴 陀螺数据输出，转至地东南位置，数据文本记为"x+5.txt"，求出该输入角速度下X轴光纤陀 螺仪输出的平均值;本步骤中，由地北东位置匀速转到地东南位置过程中，采集Z轴陀螺数 据，用于激励ζ轴陀螺的标度因数K gz;
[0088]步骤e，在地东南位置处锁定转台，利用软件采集惯组静态测试lmin数据，数据文 本即为"地东南.txt"，求出该状态下陀螺仪及加速度计各轴向输出数据的平均值;本步骤 中，能够激励出东向Y陀螺的零偏Bgy和地向X加速度计的Kax、东向Y加速度计的零偏B ay、南向 Z加速度计的零偏Baz;
[0089] 步骤f，数据采集完毕，以5°/s绕"3位置"z轴正向旋转90°，此时利用软件采集z轴 陀螺数据输出，转至东天南位置数据文本记为"z+5.txt"，求出该输入角速度下y轴光纤陀 螺仪输出的平均值;在本步骤，由地东南位置运速转到东天南位置的过程中，采集z轴陀螺 数据，能够激励处z轴陀螺的标度因数K gz;
[0090] 步骤g，在东天南位置处锁定转台，利用软件采集惯组静态测试lmin数据，数据文 本即为"东天南.txt"，求出该状态下陀螺仪及加速度计各轴向输出数据的平均值。在本步 骤，能够激励出东向X陀螺的零偏B gx和天向Y加速度计的标度因数Kay、东向X加速度计的零 偏Bax、南向Z加速度计的零偏B az。
[0091] 步骤6,保存以上各项数据，结合如公式(3)和(4)所建立的误差模型，可得加速度 计的标度因数、零偏和陀螺的标度因数、零偏等各项误差参数。
[0092] 步骤7，标定结束，产品断电，拆卸产品。
[0093] 由于转台有启动时间和停止时间，因此在处理位置转换求取陀螺标度因数的数据 时，需减去前2s和后2s的数据。为了提高整体的标定精度，数据处理时都先进行小波滤波， 之后按照误差模型再处理数据。
[0094] 安装本发明提供的标定路径控制转台转动惯性测量单元，整个旋转过程具有一致 的连续性，方便设备操作，进而节约了时间，提高了标定效率。所使用位置数少，能激励出对 惯组影响较大的误差，可在短时间内较精确地标定出光纤陀螺零偏和比例因子以及加速度 计零偏和比例因子共十二个误差系数，可达到对中低精度惯组标定精度的要求。
【主权项】
1. 一种用于中低精度的光纤惯组快速标定方法，在安装好光纤惯组的测试装置后，然 后进行如下步骤： 步骤一，设定光纤惯组输出数据的采样时间间隔和采样次数； 步骤二，标记光纤惯组的4种方位状态为：1位置为东北天方位，2位置为地北东方位，3 位置为地东南方位，4位置为东天南方位;执行下面步骤a~g; 步骤a，控制转台，使光纤惯组置于1位置处锁定转台，采集光纤惯组处于静态测试lmin 的数据，求出该状态下陀螺仪及加速度计各轴向输出数据的平均值； 步骤b，以5°/s绕1位置的y轴正向旋转90°，采集X轴陀螺数据输出，转至2位置，求出该 输入角速度下y轴光纤陀螺仪输出数据的平均值； 步骤c，在2位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺仪及 加速度计各轴向输出数据的平均值； 步骤d，以5°/s绕2位置的X轴正向旋转90°，采集X轴陀螺数据输出，转至3位置，求出该 输入角速度下X轴光纤陀螺仪输出数据的平均值； 步骤e，在3位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺仪及 加速度计各轴向输出数据的平均值； 步骤f，以5°/s绕3位置的z轴正向旋转90°，采集z轴陀螺数据输出，转至4位置，求出该 输入角速度下y轴光纤陀螺仪输出数据的平均值； 步骤g，在4位置处锁定转台，采集光纤惯组静态测试lmin数据，求出该状态下陀螺仪及 加速度计各轴向输出数据的平均值。 步骤三，根据所采集的输出数据，通过光纤陀螺和加速度计的数学模型，标定光纤陀螺 和加速度计的标度因数和零偏。
【文档编号】G01C25/00GK106017507SQ201610318999
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】高爽, 李慧鹏, 张晓娇, 蔡晓雯, 王文杰, 张维睿, 李胜臣
【申请人】北京航空航天大学