劉緒化

(海裝重慶局 重慶 400021)

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光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)自適應(yīng)誤差補(bǔ)償技術(shù)研究

劉緒化

(海裝重慶局 重慶 400021)

根據(jù)光纖陀螺(FOG)慣性測量裝置的工作原理及慣性器件參數(shù)辨識的基本原理,采用傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)臺標(biāo)定法對光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行了研究。并針對光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)影響導(dǎo)航精度的實(shí)際工程需要,提出一種自適應(yīng)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?在較大程度上可以減小光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)非線性度,利用試驗(yàn)比對驗(yàn)證,結(jié)果證明該方法能有效減小光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)的非線性度誤差,進(jìn)而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的使用精度。

光纖陀螺; 標(biāo)度因數(shù); 分段補(bǔ)償; 誤差

Class Number U675

1 引言

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其特有的優(yōu)良特性廣泛的應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域。它主要由慣性測量組件(IMU)和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)組成,利用IMU輸出的信息進(jìn)行解算確定并輸出載體的姿態(tài)和方位信息,以此達(dá)到導(dǎo)航的目的[1]。因此其慣性器件(加速度計(jì)和陀螺儀)的誤差在很大程度上直接影響了導(dǎo)航系統(tǒng)的精度,捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差主要來源于慣性器件,為提高慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)際使用精度,需對器件的各種誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

所謂誤差補(bǔ)償技術(shù)就是默認(rèn)誤差存在,分析誤差產(chǎn)生原因、傳播規(guī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,從而達(dá)到提高精度的目的。這是導(dǎo)航精度提高到一定水平后所采用的必要而有效的一項(xiàng)措施[2]。自適應(yīng)誤差補(bǔ)償,是按導(dǎo)航的姿態(tài)角速度變化進(jìn)行自適應(yīng)辨識,采用不同的補(bǔ)償模型,提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

2 自適應(yīng)誤差補(bǔ)償技術(shù)提出及意義

光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)的新型全固態(tài)光學(xué)陀螺,與傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺相比,它具有耐沖擊、抗加速運(yùn)動、體積小、重量輕、壽命長、分辨率高、動態(tài)范圍寬、啟動時(shí)間極短等突出優(yōu)點(diǎn),已成為新一代捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中理想的慣性器件。隨著光纖陀螺廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)中,要求光纖陀螺在相當(dāng)大的動態(tài)范圍內(nèi)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(biāo)度因數(shù),ω是陀螺輸入,εg是隨機(jī)噪聲。在導(dǎo)航過程中,角運(yùn)動和加速度的變化規(guī)律可以利用一段連續(xù)變化的曲線來描述,在整個過程中應(yīng)注意到角運(yùn)動和加速度的變化[3]。試驗(yàn)得到:在角速率大范圍的變化中,陀螺的比例系數(shù)會隨之變化。按照陀螺的輸入輸出關(guān)系特性,陀螺的實(shí)際輸出將偏離理論輸出。該模型在整個陀螺的工作范圍內(nèi)都使用唯一的標(biāo)度因數(shù),但理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均明確表明了在整個導(dǎo)航過程中標(biāo)度因數(shù)并非完全線性的,并具有正負(fù)不對稱性,這對導(dǎo)航精度有較大的影響[4]。要進(jìn)一步提高精度,就必須考慮到角運(yùn)動變化對陀螺比例系數(shù)的影響。為更好地去擬合、逼近陀螺的實(shí)際輸入輸出特性,針對其輸出不對稱性的特點(diǎn)對陀螺的標(biāo)度因數(shù)實(shí)行分段標(biāo)定,由此進(jìn)一步提出了標(biāo)度因數(shù)的自適應(yīng)補(bǔ)償方案。

3 標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)定

3.1 標(biāo)度因數(shù)的確定

光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)定采用傳統(tǒng)的速率實(shí)驗(yàn)即可得到,在此不再敘述。由于光纖陀螺沒有與g和g2相關(guān)的誤差項(xiàng),在考慮到了標(biāo)度因數(shù)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(biāo)度因數(shù),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(yàn)中,外軸以角速度ω正向旋轉(zhuǎn),在任意時(shí)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(shí)刻三軸角速率輸出分別為

帶入誤差方程可得:

轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)整數(shù)周(以旋轉(zhuǎn)一周來進(jìn)行分析),使地球自轉(zhuǎn)角速率在水平軸的分量在臺體旋轉(zhuǎn)一周時(shí)被平均掉。N為一周內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)組數(shù)對一周的輸出值求和得:

同理:反向旋轉(zhuǎn)時(shí)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(biāo)度因數(shù)為

Kgx=ΔNgxc/(2ωN)

Kgy=ΔNgyb/(2ωN)

Kgz=ΔNgza/(2ωN)

3.2 分段標(biāo)定原則及實(shí)驗(yàn)處理

理論上,自然是分段越多越好,畢竟在每個點(diǎn)上的標(biāo)度因數(shù)都不相同。但綜合考慮陀螺輸入輸出特性的非線性以及標(biāo)度因數(shù)標(biāo)定的實(shí)際情況,特別是結(jié)合在各個角速度區(qū)間段內(nèi)要選取多個點(diǎn)進(jìn)行回歸分析以確定比例系數(shù)這一情況,沒有必要分段過多過細(xì)[5～6]。分段過多過細(xì),首先給工程應(yīng)用中標(biāo)定系數(shù)帶來困難;其次,分段過多過細(xì)將給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)增加過多的計(jì)算量。所以從工程實(shí)際出發(fā),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(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)而應(yīng)該具體設(shè)計(jì)出分段區(qū)間[7]。因?yàn)楣饫w陀螺具有正負(fù)不對稱性,所以“零”必須作為一個分段點(diǎn)將陀螺標(biāo)度因數(shù)正負(fù)標(biāo)定分開。綜合考慮應(yīng)用的需要按以下角度分段,結(jié)合地面、船舶導(dǎo)航的特點(diǎn)在(-20°/s)～(+20°/s)區(qū)間內(nèi)以5°/s為區(qū)間分為八段。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理借助工程計(jì)算常用的軟件Matlab,首先利用Matlab的Smooth函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。其次,將經(jīng)過平滑處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab程序中計(jì)算出光纖陀螺的標(biāo)度因數(shù)。

4 精度驗(yàn)證

精度檢驗(yàn)的原理:給定一個基準(zhǔn)輸入值,觀察慣導(dǎo)系統(tǒng)在基準(zhǔn)輸入值下的輸出值,計(jì)算輸出值與基準(zhǔn)輸入值的相對偏差。

將光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在高精度三軸轉(zhuǎn)臺上,且使三個光纖陀螺的敏感軸與歸零狀態(tài)下的三軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺界面內(nèi)設(shè)置完畢操作轉(zhuǎn)臺姿勢轉(zhuǎn)位命令后,以一定的速率使轉(zhuǎn)臺按照順時(shí)針和逆時(shí)針方向繞地垂線運(yùn)動,使陀螺儀的敏感軸按照上文提到的速率轉(zhuǎn)動并采集出數(shù)據(jù),采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行分段擬合,得到不同速率下的誤差參數(shù),在各個區(qū)間內(nèi)認(rèn)為線性擬合,在誤差補(bǔ)償時(shí),根據(jù)陀螺輸出情況,計(jì)算每個區(qū)間的誤差參數(shù)并補(bǔ)償?shù)较鄳?yīng)區(qū)間[8～10]。誤差補(bǔ)償前后的比較如圖1所示。

5 結(jié)語

本文介紹了一種針對光纖陀螺標(biāo)度因數(shù)按其角速度的數(shù)據(jù),自適應(yīng)補(bǔ)償標(biāo)度因數(shù)所帶來的導(dǎo)航誤差的方法,并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明針對陀螺標(biāo)度因數(shù)的誤差補(bǔ)償效果明顯,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。該方案同理可推廣至慣導(dǎo)的加速度測量系統(tǒng)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(dǎo)航電子。

U675

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.022