光纖陀螺標度因數自適應誤差補償技術研究

劉緒化

(海裝重慶局 重慶 400021)

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光纖陀螺標度因數自適應誤差補償技術研究

劉緒化

(海裝重慶局 重慶 400021)

根據光纖陀螺(FOG)慣性測量裝置的工作原理及慣性器件參數辨識的基本原理,采用傳統的三軸轉臺標定法對光纖陀螺標度因數進行了研究。并針對光纖陀螺標度因數影響導航精度的實際工程需要,提出一種自適應誤差補償的方法,在較大程度上可以減小光纖陀螺標度因數非線性度,利用試驗比對驗證,結果證明該方法能有效減小光纖陀螺標度因數的非線性度誤差,進而提高導航系統的使用精度。

光纖陀螺; 標度因數; 分段補償; 誤差

Class Number U675

1 引言

捷聯慣性導航系統以其特有的優良特性廣泛的應用于航空、航天、軍事等領域。它主要由慣性測量組件(IMU)和導航計算機組成,利用IMU輸出的信息進行解算確定并輸出載體的姿態和方位信息,以此達到導航的目的[1]。因此其慣性器件(加速度計和陀螺儀)的誤差在很大程度上直接影響了導航系統的精度,捷聯慣性導航系統誤差主要來源于慣性器件,為提高慣導系統實際使用精度,需對器件的各種誤差進行補償。

所謂誤差補償技術就是默認誤差存在,分析誤差產生原因、傳播規律及對精度的影響,然后利用硬件或軟件的辦法減小以至消除誤差對實驗結果的影響,從而達到提高精度的目的。這是導航精度提高到一定水平后所采用的必要而有效的一項措施[2]。自適應誤差補償,是按導航的姿態角速度變化進行自適應辨識,采用不同的補償模型,提高導航系統的精度。

2 自適應誤差補償技術提出及意義

光纖陀螺是基于Sagnac效應的新型全固態光學陀螺,與傳統的機械轉子陀螺相比,它具有耐沖擊、抗加速運動、體積小、重量輕、壽命長、分辨率高、動態范圍寬、啟動時間極短等突出優點,已成為新一代捷聯式慣性導航系統中理想的慣性器件。隨著光纖陀螺廣泛應用于導航系統中,要求光纖陀螺在相當大的動態范圍內有較高的精度。光纖陀螺的簡化模型為

D0=Kg0+Kg1ω+εg

式中,D0是陀螺輸出,Kg0是陀螺零偏,Kg1是標度因數,ω是陀螺輸入,εg是隨機噪聲。在導航過程中,角運動和加速度的變化規律可以利用一段連續變化的曲線來描述,在整個過程中應注意到角運動和加速度的變化[3]。試驗得到:在角速率大范圍的變化中,陀螺的比例系數會隨之變化。按照陀螺的輸入輸出關系特性,陀螺的實際輸出將偏離理論輸出。該模型在整個陀螺的工作范圍內都使用唯一的標度因數,但理論和試驗數據均明確表明了在整個導航過程中標度因數并非完全線性的,并具有正負不對稱性,這對導航精度有較大的影響[4]。要進一步提高精度,就必須考慮到角運動變化對陀螺比例系數的影響。為更好地去擬合、逼近陀螺的實際輸入輸出特性,針對其輸出不對稱性的特點對陀螺的標度因數實行分段標定,由此進一步提出了標度因數的自適應補償方案。

3 標度因數的標定

3.1 標度因數的確定

光纖陀螺的標度因數的標定采用傳統的速率實驗即可得到,在此不再敘述。由于光纖陀螺沒有與g和g2相關的誤差項,在考慮到了標度因數誤差、安裝誤差和零偏誤差的情況下,光纖陀螺組合的輸出模型可以描述為

Ngx、Ngy、Ngz分別是X、Y、Z三個軸光纖陀螺的輸出,Dx0、Dy0、Dz0為陀螺的零位誤差,Kgx、Kgy、Kgz分別是陀螺的標度因數,Egxz、Egxz為敏感ωy、ωz的安裝誤差角,Egyz、Egyx為敏感ωx、ωz的安裝誤差角,Egzy、Egzx為敏感ωx、ωy的安裝誤差角。在速率試驗中,外軸以角速度ω正向旋轉,在任意時刻t,X、Y、Z三軸的角速率輸出ωx、ωy、ωz為

同理,可得另外兩個位置方程在任意時刻三軸角速率輸出分別為

帶入誤差方程可得:

轉臺旋轉整數周(以旋轉一周來進行分析),使地球自轉角速率在水平軸的分量在臺體旋轉一周時被平均掉。N為一周內記錄的數據組數對一周的輸出值求和得:

同理:反向旋轉時輸出值的求和得:

由以上兩式可得出:

由位置b和位置c同理得到:

由以上三式可得標度因數為

Kgx=ΔNgxc/(2ωN)

Kgy=ΔNgyb/(2ωN)

Kgz=ΔNgza/(2ωN)

3.2 分段標定原則及實驗處理

理論上,自然是分段越多越好,畢竟在每個點上的標度因數都不相同。但綜合考慮陀螺輸入輸出特性的非線性以及標度因數標定的實際情況,特別是結合在各個角速度區間段內要選取多個點進行回歸分析以確定比例系數這一情況,沒有必要分段過多過細[5～6]。分段過多過細,首先給工程應用中標定系數帶來困難;其次,分段過多過細將給導航計算機增加過多的計算量。所以從工程實際出發,具體分段按上文所提及的,確定分段原則:線性度好的地方少分段,線性度差的地方多分段;或者綜合考慮實際應用系統而應該具體設計出分段區間[7]。因為光纖陀螺具有正負不對稱性,所以“零”必須作為一個分段點將陀螺標度因數正負標定分開。綜合考慮應用的需要按以下角度分段,結合地面、船舶導航的特點在(-20°/s)～(+20°/s)區間內以5°/s為區間分為八段。

實驗數據的處理借助工程計算常用的軟件Matlab,首先利用Matlab的Smooth函數對數據進行平滑處理。其次,將經過平滑處理的數據導入Matlab程序中計算出光纖陀螺的標度因數。

4 精度驗證

精度檢驗的原理:給定一個基準輸入值,觀察慣導系統在基準輸入值下的輸出值,計算輸出值與基準輸入值的相對偏差。

將光纖陀螺捷聯慣導系統安裝在高精度三軸轉臺上,且使三個光纖陀螺的敏感軸與歸零狀態下的三軸轉臺主軸互相平行,使光纖陀螺的初始方位指向東北天方向。在自控控制轉臺界面內設置完畢操作轉臺姿勢轉位命令后,以一定的速率使轉臺按照順時針和逆時針方向繞地垂線運動,使陀螺儀的敏感軸按照上文提到的速率轉動并采集出數據,采集數據后進行分段擬合,得到不同速率下的誤差參數,在各個區間內認為線性擬合,在誤差補償時,根據陀螺輸出情況,計算每個區間的誤差參數并補償到相應區間[8～10]。誤差補償前后的比較如圖1所示。

5 結語

本文介紹了一種針對光纖陀螺標度因數按其角速度的數據,自適應補償標度因數所帶來的導航誤差的方法,并通過了試驗驗證。驗證結果表明針對陀螺標度因數的誤差補償效果明顯,具有一定的工程應用價值。該方案同理可推廣至慣導的加速度測量系統中。

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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 作者簡介:劉緒化,男,工程師,研究方向:導航電子。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.022