光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法

摘要

本发明的目的在于提供光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法。将光纤陀螺捷联惯性导航系统放置于单轴转台上，光纤陀螺捷联惯性导航系统通电进行预热，采集光纤陀螺输出的角速度和和石英挠性加速度计输出的比力，之后将控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°三次，并采集每次光纤陀螺输出的角速度和和石英挠性加速度计输出的比力，进而得到惯性器件坐标系x、y、z轴光纤陀螺的漂移和以及惯性器件坐标系x、y、z轴石英挠性加速度计的零位偏值。利用单轴转台旋转不同的角位置，便可测量出光纤陀螺的漂移和石英挠性加速度计的零位偏值的方法，并且单轴转台标定成本低，步骤简单，标定时单轴转台放置于地面即可，无需试验室环境。

权利要求

1.光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法，其特征是：(1)将光纤陀螺捷联惯性导航系统放置于单轴转台上，光纤陀螺捷联惯性导航系统通电进行预热，然后采集光纤陀螺和石英挠性加速度计输出的数据；

(2)记初始时刻光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为a位置，在a位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度a a a

ω(1)，ω(2)，...ω(N)和石英挠性加速度计输出的比力a a a

f(1)，f(2)，...f(N)，其中 h为光纤陀螺捷联惯性导航系统的采样周期，上角标a表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在a位置；

(3)由步骤(2)测量结果，得出a位置上光纤陀螺输出的角速度平均值和石英挠性加速度计输出的比力平均值的惯性器件坐标系投影形式为

的惯性器件坐标系投影形式为

下角标x表示惯性器件坐标系x轴，y表示惯性器件坐标系y轴，z表示惯性器件坐标系z轴；

(4)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为b位置，在b位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度b b b

ω(1)，ω(2)，...ω(N)和石英挠性加速度计输出的比力b b b

f(1)，f(2)，...f(N)，上角标b表示数据采集时，光纤陀螺捷联惯性导航系统处在b位置；

(5)由步骤(4)测量结果，得出b位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值和石英挠性加速度计输出的比力平均值的惯性器件坐标系投影形式为

的惯性器件坐标系投影形式为

(6)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为c位置，在c位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度c c c

ω(1)，ω(2)，...ω(N)和石英挠性加速度计输出的比力c c c

f(1)，f(2)，...f(N)，上角标c表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在c位置；

(7)由步骤(6)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值和石英挠性加速度计输出的比力平均值的惯性器件坐标系投影形式为

的惯性器件坐标系投影形式为

(8)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为d位置，在d位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度d d d

ω(1)，ω(2)，...ω(N)，和石英挠性加速度计输出的比力d d d

f(1)，f(2)，...f(N)，上角标d表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在d位置；

(9)由步骤(8)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值和石英挠性加速度计输出的比力平均值的惯性器件坐标系投影形式为

的惯性器件坐标系投影形式为

(10)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)测量得到惯性器件坐标系x轴光纤陀螺的漂移惯性器件坐标系y轴光纤陀螺的漂移以及惯性器件坐标系x轴石英挠性加速度计的零位偏值惯性器件坐标系y轴石英挠性加速度计的零位偏值(11)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)得到以下参量：在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的纵摇角θ其中g为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的重力值，进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的横摇角γ进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的航向角φ其中L为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的纬度值，Ω为地球自转角速度；

(12)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)、步骤(10)和步骤(11)测量得到惯性器件坐标系z轴光纤陀螺的漂移惯性器件坐标系z轴石英挠性加速度计的零位偏值

说明书

光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种导航领域的标定方法。

背景技术

[0002] 标定技术就是一种从软件方面来提高惯性导航系统使用精度的方法。标定技术本质上也是一种误差测量技术。对于光纤陀螺捷联惯性导航系统，所谓误差补偿技术就是建立光纤陀螺和石英挠性加速度计的误差数学模型，通过一定的试验来测量模型系数，进而确定光纤陀螺和石英挠性加速度计的误差数学模型。目前的标定方法都要使用大型的三轴测试转台，执行预先设定好的标定路径，经过位置测量试验、速率测量试验和零位修正测量试验，标定测量出光纤陀螺的漂移、刻度因数、安装误差；石英挠性加速度计的刻度因数、零位偏值、安装误差。

[0003] 转台作为捷联惯性导航系统的测试设备，是一种复杂的集光机电一体的现代化设备，它能够模拟载体的各种姿态角运动，复现其运动时的多种动力学特性，对船舶、飞机的制导系统、控制系统以及相应器件的性能进行反复测试，获得充分的试验数据，并根据数据对系统进行重新设计和改进，达到总体设计的性能指标要求。三轴测试转台作为转台的一种，能够在三个自由度上进行姿态角运动，即可以复现载体所有的姿态角运动状态，大型的三轴测试转台角位置定位精度高、速率范围广、功能多，缺点是价格昂贵(一般在一百万元以上)、安装麻烦(需要三到五米的地基)、维护保养程序繁琐。

[0004] 光纤陀螺的制造过程中，光学器件特别是光纤环的缠绕需使用大量的紫外固化胶，其性能会随着时间的增加而产生变化，进而改变光学器件的性能，对光纤陀螺的漂移、刻度因数产生影响；石英挠性加速度计的挠性轴弹性系数也会随着时间的改变而产生变化，对石英挠性加速度计的零位偏值、和刻度因数产生影响，只能通过重新标定的方法消除其影响。根据研究与使用经验，中低精度的光纤陀螺捷联惯性导航系统在三个月到四个月之内，光纤陀螺的输出性能保持稳定，能够满足捷联惯性导航系统的正常工作。使用时间超过四个月，则无法保证精度，需要重新标定。并且，光纤陀螺的漂移、石英挠性加速度计的零位偏值比较光纤陀螺刻度因数、石英挠性加速度计的刻度因数，对于捷联惯性导航系统性能的影响起到主要的作用(光纤陀螺和石英挠性加速度计一般视为刚体，其安装误差不随时间改变)。对于中低精度的光纤陀螺捷联惯性导航系统，在精度要求不高的情形下，只需要标定光纤陀螺的漂移、石英挠性加速度计的零位偏值。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供标定成本低、步骤简单、标定时单轴转台放置于地面即可、无需试验室环境的光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法。

[0006] 本发明的目的是这样实现的：

[0007] 本发明光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法，其特征是：

[0008] (1)将光纤陀螺捷联惯性导航系统放置于单轴转台上，光纤陀螺捷联惯性导航系统通电进行预热，然后采集陀螺仪和加速度计输出的数据；

[0009] (2)记初始时刻光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为a位置，在a位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度

[0010] ωa(1)，ωa(2)，...ωa(N)

[0011] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0012] fa(1)，fa(2)，...fa(N)，

[0013] 其中 h为光纤陀螺捷联惯性导航系统的采样周期，上角标a表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在a位置；

[0014] (3)由步骤(2)测量结果，得出a位置上光纤陀螺输出的角速度平均值[0015]

[0016] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0017]

[0018] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0019]

[0020] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0021]

[0022] 下角标x表示惯性器件坐标系x轴，y表示惯性器件坐标系y轴，z表示惯性器件坐标系z轴；

[0023] (4)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为b位置，在b位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度b b b

[0024] ω(1)，ω(2)，...ω(N)

[0025] 和石英挠性加速度计输出的比力b b b

[0026] f(1)，f(2)，...f(N)，

[0027] 上角标b表示数据采集时，光纤陀螺捷联惯性导航系统处在b位置；

[0028] (5)由步骤(4)测量结果，得出b位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0029]

[0030] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0031]

[0032] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0033]

[0034] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0035]

[0036] (6)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为c位置，在c位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度c c c

[0037] ω(1)，ω(2)，...ω(N)

[0038] 和石英挠性加速度计输出的比力c c c

[0039] f(1)，f(2)，...f(N)，

[0040] 上角标c表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在c位置；

[0041] (7)由步骤(6)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0042]

[0043] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0044]

[0045] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0046]

[0047] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0048]

[0049] (8)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为d位置，在d位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度

[0050] ωd(1)，ωd(2)，...ωd(N)，

[0051] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0052] fd(1)，fd(2)，...fd(N)，

[0053] 上角标d表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在d位置；

[0054] (9)由步骤(8)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0055]

[0056] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0057]

[0058] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0059]

[0060] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0061]

[0062] (10)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)测量得到惯性器件坐标系x轴光纤陀螺的漂移

[0063]

[0064] 惯性器件坐标系y轴光纤陀螺的漂移

[0065]

[0066] 以及惯性器件坐标系x轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0067]

[0068] 惯性器件坐标系y轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0069]

[0070] (11)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)得到以下参量：

[0071] 在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的纵摇角θ

[0072]

[0073] 其中g为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的重力值，

[0074] 进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的横摇角γ[0075]

[0076] 进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的航向角φ[0077]

[0078] 其中L为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的纬度值，Ω为地球自转角速度；

[0079] (12)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)、步骤(10)和步骤(11)测量得到惯性器件坐标系z轴光纤陀螺的漂移

[0080]

[0081] 惯性器件坐标系z轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0082]

[0083] 本发明的优势在于：利用单轴转台旋转不同的角位置，便可测量出光纤陀螺的漂移和石英挠性加速度计的零位偏值的方法，并且单轴转台标定成本低，步骤简单，标定时单轴转台放置于地面即可，无需试验室环境。

附图说明

[0084] 图1为本发明具体实施方式中步骤(2)中光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置a位置；

[0085] 图2为本发明具体实施方式中步骤(4)中光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置b位置；

[0086] 图3为本发明具体实施方式中步骤(6)中光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置c位置；

[0087] 图4为本发明具体实施方式中步骤(8)中光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置d位置。

具体实施方式

[0088] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0089] 结合图1～4，光纤陀螺捷联惯性导航系统的单轴转台标定方法，其特征是：

[0090] (1)将光纤陀螺捷联惯性导航系统放置于单轴转台上，光纤陀螺捷联惯性导航系统通电进行预热，然后采集陀螺仪和加速度计输出的数据；

[0091] (2)记初始时刻光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为a位置，如图1所示，在a位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度

[0092] ωa(1)，ωa(2)，...ωa(N)

[0093] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0094] fa(1)，fa(2)，...fa(N)，

[0095] 其中 h为光纤陀螺捷联惯性导航系统的采样周期，上角标a表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在a位置；

[0096] (3)由步骤(2)测量结果，得出a位置上光纤陀螺输出的角速度平均值[0097]

[0098] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0099]

[0100] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0101]

[0102] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0103]

[0104] 下角标x表示惯性器件坐标系x轴，y表示惯性器件坐标系y轴，z表示惯性器件坐标系z轴；

[0105] (4)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为b位置，如图2所示，图中虚线表示光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置a位置时，惯性器件坐标系的x轴所处位置，在b位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度[0106] ωb(1)，ωb(2)，...ωb(N)

[0107] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0108] fb(1)，fb(2)，...fb(N)，

[0109] 上角标b表示数据采集时，光纤陀螺捷联惯性导航系统处在b位置；

[0110] (5)由步骤(4)测量结果，得出b位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0111]

[0112] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0113]

[0114] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0115]

[0116] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0117]

[0118] (6)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为c位置，如图3所示，图中虚线表示光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置b位置时，惯性器件坐标系的x轴所处位置，在c位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度[0119] ωc(1)，ωc(2)，...ωc(N)

[0120] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0121] fc(1)，fc(2)，...fc(N)，

[0122] 上角标c表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在c位置；

[0123] (7)由步骤(6)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0124]

[0125] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0126]

[0127] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0128]

[0129] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0130]

[0131] (8)控制单轴转台绕其转动轴逆时针旋转90°，记转动后光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置为d位置，如图4所示，图中虚线表示光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置c位置时，惯性器件坐标系的x轴所处位置，在d位置采集300秒内光纤陀螺输出的角速度[0132] ωd(1)，ωd(2)，...ωd(N)，

[0133] 和石英挠性加速度计输出的比力

[0134] fd(1)，fd(2)，...fd(N)，

[0135] 上角标d表示数据采集时光纤陀螺捷联惯性导航系统处在d位置；

[0136] (9)由步骤(8)测量结果，得出c位置上光纤陀螺的输出的角速度平均值[0137]

[0138] 和石英挠性加速度计输出的比力平均值

[0139]

[0140] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0141]

[0142] 的惯性器件坐标系投影形式为

[0143]

[0144] (10)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)测量得到惯性器件坐标系x轴光纤陀螺的漂移

[0145]

[0146] 惯性器件坐标系y轴光纤陀螺的漂移

[0147]

[0148] 以及惯性器件坐标系x轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0149]

[0150] 惯性器件坐标系y轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0151]

[0152] (11)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)和步骤(10)得到以下参量：

[0153] 在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的纵摇角θ

[0154]

[0155] 其中g为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的重力值，

[0156] 进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的横摇角γ[0157]

[0158] 进一步得到在位置a时，光纤陀螺捷联惯性导航系统的航向角φ[0159]

[0160] 其中L为光纤陀螺捷联惯性导航系统所在位置的纬度值，Ω为地球自转角速度；

[0161] (12)由步骤(3)、步骤(5)、步骤(7)、步骤(9)、步骤(10)和步骤(11)测量得到惯性器件坐标系z轴光纤陀螺的漂移

[0162]

[0163] 惯性器件坐标系z轴石英挠性加速度计的零位偏值

[0164]

[0165] 通过Matlab仿真对本发明的方法加以验证：

[0166] 光纤陀螺捷联惯性导航系统中误差模型参数设置如表1：

[0167] 表1参数设置值

[0168]

[0169] 利用本发明技术进行标定试验，结果如表2所示。

[0170] 表2参数标定值

[0171]

[0172] 通过表1、2可以看出：本发明技术的标定结果，满足光纤陀螺捷联惯性导航系统的使用要求。