光纤陀螺标度因数自适应误差补偿技术研究

刘绪化

(海装重庆局 重庆 400021)



光纤陀螺标度因数自适应误差补偿技术研究

刘绪化

(海装重庆局 重庆 400021)

根据光纤陀螺(FOG)惯性测量装置的工作原理及惯性器件参数辨识的基本原理,采用传统的三轴转台标定法对光纤陀螺标度因数进行了研究。并针对光纤陀螺标度因数影响导航精度的实际工程需要,提出一种自适应误差补偿的方法,在较大程度上可以减小光纤陀螺标度因数非线性度,利用试验比对验证,结果证明该方法能有效减小光纤陀螺标度因数的非线性度误差,进而提高导航系统的使用精度。

光纤陀螺; 标度因数; 分段补偿; 误差

Class Number U675

1 引言

捷联惯性导航系统以其特有的优良特性广泛的应用于航空、航天、军事等领域。它主要由惯性测量组件(IMU)和导航计算机组成,利用IMU输出的信息进行解算确定并输出载体的姿态和方位信息,以此达到导航的目的[1]。因此其惯性器件(加速度计和陀螺仪)的误差在很大程度上直接影响了导航系统的精度,捷联惯性导航系统误差主要来源于惯性器件,为提高惯导系统实际使用精度,需对器件的各种误差进行补偿。

所谓误差补偿技术就是默认误差存在,分析误差产生原因、传播规律及对精度的影响,然后利用硬件或软件的办法减小以至消除误差对实验结果的影响,从而达到提高精度的目的。这是导航精度提高到一定水平后所采用的必要而有效的一项措施[2]。自适应误差补偿,是按导航的姿态角速度变化进行自适应辨识,采用不同的补偿模型,提高导航系统的精度。

2 自适应误差补偿技术提出及意义

光纤陀螺是基于Sagnac效应的新型全固态光学陀螺,与传统的机械转子陀螺相比,它具有耐冲击、抗加速运动、体积小、重量轻、寿命长、分辨率高、动态范围宽、启动时间极短等突出优点,已成为新一代捷联式惯性导航系统中理想的惯性器件。随着光纤陀螺广泛应用于导航系统中,要求光纤陀螺在相当大的动态范围内有较高的精度。光纤陀螺的简化模型为

D0=Kg0+Kg1ω+εg

式中,D0是陀螺输出,Kg0是陀螺零偏,Kg1是标度因数,ω是陀螺输入,εg是随机噪声。在导航过程中,角运动和加速度的变化规律可以利用一段连续变化的曲线来描述,在整个过程中应注意到角运动和加速度的变化[3]。试验得到:在角速率大范围的变化中,陀螺的比例系数会随之变化。按照陀螺的输入输出关系特性,陀螺的实际输出将偏离理论输出。该模型在整个陀螺的工作范围内都使用唯一的标度因数,但理论和试验数据均明确表明了在整个导航过程中标度因数并非完全线性的,并具有正负不对称性,这对导航精度有较大的影响[4]。要进一步提高精度,就必须考虑到角运动变化对陀螺比例系数的影响。为更好地去拟合、逼近陀螺的实际输入输出特性,针对其输出不对称性的特点对陀螺的标度因数实行分段标定,由此进一步提出了标度因数的自适应补偿方案。

3 标度因数的标定

3.1 标度因数的确定

光纤陀螺的标度因数的标定采用传统的速率实验即可得到,在此不再叙述。由于光纤陀螺没有与g和g2相关的误差项,在考虑到了标度因数误差、安装误差和零偏误差的情况下,光纤陀螺组合的输出模型可以描述为

Ngx、Ngy、Ngz分别是X、Y、Z三个轴光纤陀螺的输出,Dx0、Dy0、Dz0为陀螺的零位误差,Kgx、Kgy、Kgz分别是陀螺的标度因数,Egxz、Egxz为敏感ωy、ωz的安装误差角,Egyz、Egyx为敏感ωx、ωz的安装误差角,Egzy、Egzx为敏感ωx、ωy的安装误差角。在速率试验中,外轴以角速度ω正向旋转,在任意时刻t,X、Y、Z三轴的角速率输出ωx、ωy、ωz为

同理,可得另外两个位置方程在任意时刻三轴角速率输出分别为

带入误差方程可得:

转台旋转整数周(以旋转一周来进行分析),使地球自转角速率在水平轴的分量在台体旋转一周时被平均掉。N为一周内记录的数据组数对一周的输出值求和得:

同理:反向旋转时输出值的求和得:

由以上两式可得出:

由位置b和位置c同理得到:

由以上三式可得标度因数为

Kgx=ΔNgxc/(2ωN)

Kgy=ΔNgyb/(2ωN)

Kgz=ΔNgza/(2ωN)

3.2 分段标定原则及实验处理

理论上,自然是分段越多越好,毕竟在每个点上的标度因数都不相同。但综合考虑陀螺输入输出特性的非线性以及标度因数标定的实际情况,特别是结合在各个角速度区间段内要选取多个点进行回归分析以确定比例系数这一情况,没有必要分段过多过细[5～6]。分段过多过细,首先给工程应用中标定系数带来困难;其次,分段过多过细将给导航计算机增加过多的计算量。所以从工程实际出发,具体分段按上文所提及的,确定分段原则:线性度好的地方少分段,线性度差的地方多分段;或者综合考虑实际应用系统而应该具体设计出分段区间[7]。因为光纤陀螺具有正负不对称性,所以“零”必须作为一个分段点将陀螺标度因数正负标定分开。综合考虑应用的需要按以下角度分段,结合地面、船舶导航的特点在(-20°/s)～(+20°/s)区间内以5°/s为区间分为八段。

实验数据的处理借助工程计算常用的软件Matlab,首先利用Matlab的Smooth函数对数据进行平滑处理。其次,将经过平滑处理的数据导入Matlab程序中计算出光纤陀螺的标度因数。

4 精度验证

精度检验的原理:给定一个基准输入值,观察惯导系统在基准输入值下的输出值,计算输出值与基准输入值的相对偏差。

将光纤陀螺捷联惯导系统安装在高精度三轴转台上,且使三个光纤陀螺的敏感轴与归零状态下的三轴转台主轴互相平行,使光纤陀螺的初始方位指向东北天方向。在自控控制转台界面内设置完毕操作转台姿势转位命令后,以一定的速率使转台按照顺时针和逆时针方向绕地垂线运动,使陀螺仪的敏感轴按照上文提到的速率转动并采集出数据,采集数据后进行分段拟合,得到不同速率下的误差参数,在各个区间内认为线性拟合,在误差补偿时,根据陀螺输出情况,计算每个区间的误差参数并补偿到相应区间[8～10]。误差补偿前后的比较如图1所示。

5 结语

本文介绍了一种针对光纤陀螺标度因数按其角速度的数据,自适应补偿标度因数所带来的导航误差的方法,并通过了试验验证。验证结果表明针对陀螺标度因数的误差补偿效果明显,具有一定的工程应用价值。该方案同理可推广至惯导的加速度测量系统中。

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FOG Scale Factor Adaptive Error Compensation Technology Research

LIU Xuhua

(Chongqing Bureau of Naval Equipment Department, Chongqing 400021)

According to the fiber-optical gyrocope(FOG) inertia measuring device working principle and inertial parameter identification principle, using the traditional three. Mark method to fiber optic gyroscope scale factor is studied. And the fiber optic gyroscope scale factor navigation accuracy requirements of practical engineering, this paper proposes an adaptive error compensation method, to a larger extent, can reduce the optical fiber gyroscope scale factor nonlinearity, using experimental comparison verification, the results prove that the method can effectively reduce the fiber optic gyroscope scale factor nonlinearity error, and then to improve the navigation system precision.

fiber-optical gyrocope, scale factor, segmented compensation, error

2015年1月6日,

2015年2月12日 作者简介:刘绪化,男,工程师,研究方向:导航电子。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.022