一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法

摘要

本发明提供了一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法：进行激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验；根据不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏温度模型；根据不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏模型；根据所有不同初始启动温度下激光陀螺稳定态零偏试验数据进行拟合，得到所有启动温度下激光陀螺稳定态零偏温度模型；根据激光陀螺初始启动温度和实时温度，选择相应初始启动温度下的相应零偏温度模型计算得到激光陀螺零位偏差；在激光陀螺实际输出基础上减去激光陀螺零位偏差得到激光陀螺输出真值。本发明准确度高。

权利要求

1.一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、进行激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验，获取不同初始启动温度Ti下在激光陀螺工作范围[Td,Tu]内不同温度对应的激光陀螺零偏试验数据，并据此确定不同初始启动温度下对应的激光陀螺松弛态温度区间[Tid,Tis)、过渡态温度区间[Tis,Tig)和稳定态温度区间[Tig,Tiu]，i＝1～N，N为初始启动温度个数；

(2)、根据不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏温度模型；

(3)、根据不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏模型；

(4)、根据所有不同初始启动温度下激光陀螺稳定态零偏试验数据进行拟合，得到所有启动温度下激光陀螺稳定态零偏温度模型；

(5)、激光陀螺上电启动后，根据激光陀螺初始启动温度和实时温度识别其处于松弛态、过渡态还是稳定态，选择相应初始启动温度下的相应零偏温度模型计算得到激光陀螺零位偏差；

(6)、在激光陀螺实际输出基础上减去激光陀螺零位偏差得到激光陀螺输出真值。

2.根据权利要求1所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于不同初始启动温度下的激光陀螺松弛态、过渡态和稳定态温度区间的分界点为相应的初始启动温度下拟合后的三态模型曲线的交点。

3.根据权利要求1所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于所述激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验的具体步骤为：(1.1)、将激光陀螺惯性测量组件放置于温箱中固定；

(1.2)、设置温箱内的保温温度为初始启动温度Ti，对激光陀螺进行长时间保温，直到激光陀螺温度与温箱内部温度达到一致，使激光陀螺温度与温箱保持热平衡状态；

(1.3)、上电启动激光陀螺，并控制温箱温度按照一定的变温率进行升温，直至温度上升到直至温度上升到设定的激光陀螺工作温度，之后保持温箱的温度为该温度不变，温升过程中采集激光陀螺输出量以及相应的激光陀螺温度传感器的温度值；

(1.4)、改变初始启动温度Ti的值，重复步骤(1.1)～(1.4)，获取不同初始启动温度下不同温度对应的激光陀螺零偏实验数据。

4.根据权利要求3所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于所述步骤(1.4)变温率不超过1℃/min。

5.根据权利要求3所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于所述步骤(1.4)按照等间隔的规律改变初始温度Ti，间隔取值范围为[5°,

20°]。

6.根据权利要求1所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于所述激光陀螺松弛态零偏温度模型通过如下步骤建立：d s

(2.1)、分别提取不同初始启动温度下激光陀螺松弛态温度区间[Ti ,Ti)内激光陀螺温度传感器平均值和激光陀螺零偏平均值，将其作为松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏；

(2.2)、根据各松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏，采用二阶多项式数值拟合的方法，得到激光陀螺启动时零偏与温度的关系，作为激光陀螺松弛态零偏温度模型。

7.根据权利要求1所述的一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，其特征在于所述步骤(3)不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏模型为直线模型，通过如下步骤建立：(3.1)、将不同初始启动温度下激光陀螺过渡态温度区间[Tis,Tig)内零偏数据进行直线拟合，得到不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki，i＝1～N，N为初始启动温度数；

(3.2)、分别计算不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态温度区间[Tis,Tig)内零偏数据中温度平均值(3.3)、根据不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki和步骤(3.2)中的不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏数据中温度平均值 进行二项式拟合得到不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏斜率ki与温度的关系；

(3.4)、采用对应初始温度条件下的激光陀螺松弛态零偏模型，计算过渡态温度区间起点温度Tis对应的激光陀螺零偏，将其代入公式y＝kix+bi，计算得到纵截距bi，最终得到该起始温度条件下对应的过渡态模型。

说明书

一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光陀螺漂移误差的建模与补偿方法，属惯性导航领域。

背景技术

[0002] 激光陀螺是基于Signac效应的光学陀螺，以其重量小、精度高、耐冲击性好等诸多优点成为捷联惯导系统的理想器件,广泛应用于导弹、火箭、船舶及地面车辆等多个领域，其性能的好坏直接影响惯性导航系统的导航精度。

[0003] 激光陀螺使用过程中的零偏漂移误差是影响惯性导航精度的主要因素之一。激光陀螺零偏主要受温度及陀螺工作状态的影响。首先，从温度影响方面来说，温度的变化会引起气体的折射率、材料的导热系数、光学器件的光学性质发生变化；另外温度引起器件的热胀冷缩、弯曲变形都会造成光路发生变化，引起谐振系统损耗增加；此外温度场的变化引起气流流场的变化，使两臂的放电电流出现不平衡，加剧了朗谬尔流效应带来的零偏影响。激光陀螺在工作过程中温度是不断变化的，陀螺零偏受温度的影响也是不断变化的，这种现象称之为零偏漂移。激光陀螺的漂移误差制约了其精度的进一步提高。为了补偿漂移误差对激光陀螺精度的影响，可以从硬件补偿与软件补偿两方面入手。其中硬件补偿从结构设计角度来消除温度及时间效应对陀螺零偏的影响，但实现起来难度大，且增加了成本。而软件补偿方法通过建立零偏的数学模型并实时进行补偿，不仅能解决激光惯导系统的快速启动问题，同时减小了系统设计的复杂性。因此目前主要是通过软件补偿方法消除陀螺零偏漂移对导航精度的影响。

[0004] 现有激光陀螺零偏误差建模方面，具有代表性的建模方法是在模型中引入了包括温度、温度变化率、温度梯度的模型项。现有技术主要存在以下缺点：

[0005] (1)陀螺仪零偏漂移误差影响机理分析不明确，建立的模型欠精确，补偿效果不佳。

[0006] (2)激光陀螺工作环境温度复杂，使用情况多变。现有的补偿方法只能针对单个激光陀螺的整个工作状态进行大概的补偿，无法做到根据激光陀螺的不同工作状态进行更精确的补偿。

发明内容

[0007] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种综合考虑时间效应与温度效应的激光陀螺零偏漂移误差补偿方法，以提高模型补偿精度与陀螺在各种温度工况下的补偿效果。

[0008] 本发明的技术解决方案是：一种基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法，该方法包括如下步骤：

[0009] (1)、进行激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验，获取不同初始启动温度Ti下d u在激光陀螺工作范围[T ,T]内不同温度对应的激光陀螺零偏试验数据，并据此确定不同初始启动温度下对应的激光陀螺松弛态温度区间 过渡态温度区间 和稳定态
温度区间[Tig,Tiu]，i＝1～N，N为初始启动温度个数；

[0010] (2)、根据不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏温度模型；

[0011] (3)、根据不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏模型；

[0012] (4)、根据所有不同初始启动温度下激光陀螺稳定态零偏试验数据进行拟合，得到所有启动温度下激光陀螺稳定态零偏温度模型；

[0013] (5)、激光陀螺上电启动后，根据激光陀螺初始启动温度和实时温度识别其处于松弛态、过渡态还是稳定态，选择相应初始启动温度下的相应零偏温度模型计算得到激光陀螺零位偏差；

[0014] (6)、在激光陀螺实际输出基础上减去激光陀螺零位偏差得到激光陀螺输出真值。

[0015] 不同初始启动温度下的激光陀螺松弛态、过渡态和稳定态温度区间的分界点为相应的初始启动温度下拟合后的三态模型曲线的交点。

[0016] 所述激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验的具体步骤为：

[0017] (1.1)、将激光陀螺惯性测量组件放置于温箱中固定；

[0018] (1.2)、设置温箱内的保温温度为初始启动温度Ti，对激光陀螺进行长时间保温，直到激光陀螺温度与温箱内部温度达到一致，使激光陀螺温度与温箱保持热平衡状态；

[0019] (1.3)、上电启动激光陀螺，并控制温箱温度按照一定的变温率进行升温，直至温度上升到直至温度上升到设定的激光陀螺工作温度，之后保持温箱的温度为该温度不变，温升过程中采集激光陀螺输出量以及相应的激光陀螺温度传感器的温度值；

[0020] (1.4)、改变初始启动温度Ti的值，重复步骤(1.1)～(1.4)，获取不同初始启动温度下不同温度对应的激光陀螺零偏实验数据。

[0021] 所述步骤(1.4)变温率不超过1℃/min。

[0022] 所述步骤(1.4)按照等间隔的规律改变初始温度Ti，间隔取值范围为[5°,20°]。

[0023] 所述激光陀螺松弛态零偏温度模型通过如下步骤建立：

[0024] (2.1)、分别提取不同初始启动温度下激光陀螺松弛态温度区间 内激光陀螺温度传感器平均值和激光陀螺零偏平均值，将其作为松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏；

[0025] (2.2)、根据各松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏，采用二阶多项式数值拟合的方法，得到激光陀螺启动时零偏与温度的关系，作为激光陀螺松弛态零偏温度模型。

[0026] 所述步骤(3)不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏模型为直线模型，通过如下步骤建立：

[0027] (3.1)、将不同初始启动温度下激光陀螺过渡态温度区间 内零偏数据进行直线拟合，得到不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki，i＝1～N，N为初始启动温度数；

[0028] (3.2)、分别计算不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态温度区间 内零偏数据中温度平均值 i＝1～N；

[0029] (3.3)、根据不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki和步骤(3.2)中的不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏数据中温度平均值 进行二项式拟合得到不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏斜率ki与温度的关系；

[0030] (3.4)、采用对应初始温度条件下的激光陀螺松弛态零偏模型，计算过渡态温度区间起点温度Tis对应的激光陀螺零偏，将其代入公式y＝kix+bi，计算得到纵截距bi，最终得到该起始温度条件下对应的过渡态模型。

[0031] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0032] (1)、本发明提出了激光陀螺工作过程中的三态理论，为激光陀螺零偏漂移特性温度建模与补偿提供了理论基础，提高了建模的准确性。

[0033] (2)、本发明根据三态理论，综合考虑了激光陀螺不同上电初始温度下对零偏输出特性的影响，提高了模型的补偿精度。

[0034] (3)、本发明对过渡态模型和松弛态模型都进行了统一，各初始温度条件下的模型形状不受初始温度条件的影响，只有起始点受初始温度条件影响，通用化比较强；

[0035] (4)、本发明稳定态模型的通用性比骄强适用于各种初始温度条件。

[0036] (5)、本发明模型在各种温度环境下使用均具有好的补偿效果，增强了模型的环境适应性。

附图说明

[0037] 图1为本发明基于三态理论的激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法流程图；

[0038] 图2为本发明实施例激光陀螺惯性测量装置安装示意图；

[0039] 图3为本发明实施例温箱设置温度变化曲线；

[0040] 图4为本发明实施例激光陀螺温度测试曲线；

[0041] 图5为本发明实施例过渡态建模数据；

[0042] 图6为本发明实施例稳定态建模数据。

具体实施方式

[0043] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0044] 在对激光陀螺零偏漂移特性进行通电测试发现，激光陀螺自上电启动温度逐渐升高到最终温度稳定工作的过程中，陀螺仪零偏漂移特性经历松弛态、过渡态、稳定态三个状态。其中松弛态是上电启动时，激光陀螺与环境温度处于热平衡状态，此时还未进行热量交换，因此激光陀螺松弛态零偏由环境温度决定。过渡态是陀螺启动后，由于自身通电产生热量，破坏了上电启动时陀螺与环境温度的热平衡状态，需要与周围环境进行热交换。该过程由于激光陀螺的工作介质温度特性以及电热性能受温度变化的影响，表现为陀螺零偏受内部温度的剧烈影响。稳定态是激光陀螺工作一定时间后，激光陀螺内部温度场不再发生变化，其只与外界环境进行热交换，该过程表现为陀螺零偏受环境温度的缓慢影响。

[0045] 基于上述原理，本发明提出了一种激光陀螺零偏漂移误差建模与补偿方法。如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0046] (1)、进行激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验，获取不同初始启动温度Ti下在激光陀螺工作范围[Td,Tu]内不同温度对应的激光陀螺零偏试验数据，并据此确定不同初始启动温度下对应的激光陀螺松弛态温度区间 过渡态温度区间 和稳定态温度区间 i＝1～N，N为初始启动温度个数；

[0047] 不同初始启动温度下的激光陀螺松弛态、过渡态和稳定态温度区间的分界点为相应的初始启动温度下拟合后的三态模型曲线的交点。

[0048] 所述激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验的具体步骤为：

[0049] (1.1)、将激光陀螺惯性测量组件放置于温箱中固定；

[0050] (1.2)、设置温箱内的保温温度Ti，对激光陀螺进行长时间保温，直到激光陀螺温度与温箱内部温度达到一致，使激光陀螺温度与温箱保持热平衡状态；

[0051] (1.3)、上电启动激光陀螺，并控制温箱温度按照一定的变温率进行升温，直至温度上升到直至温度上升到设定的激光陀螺工作温度，之后保持温箱的温度为该温度不变，温升过程中采集激光陀螺输出量以及相应的激光陀螺温度传感器的温度值；所述变温率不超过1℃/min。

[0052] (1.4)、改变初始温度Ti的值，重复步骤(1.1)～(1.4)，获取不同初始启动温度下不同温度对应的激光陀螺零偏实验数据。

[0053] 初始温度Ti间隔取值范围为[5°,20°],根据实验环境的具体情况可以适当调整，间隔取值范围选取较小且实验次数较多时能进一步提高模型建立的准确度。

[0054] (2)、根据不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺松弛态零偏温度模型。具体为：

[0055] (2.1)、分别提取不同初始启动温度下激光陀螺松弛态温度区间 内激光陀螺温度传感器平均值和激光陀螺零偏平均值，将其作为松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏；

[0056] (2.2)、根据各松弛态启动点的激光陀螺温度和上电初始零偏，采用二阶多项式数值拟合的方法，得到激光陀螺启动时零偏与温度的关系，作为激光陀螺松弛态零偏温度模型。

[0057] (3)、根据不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏试验数据，建立不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏模型，具体为：

[0058] (3.1)、将不同初始启动温度下激光陀螺过渡态温度区间 内零偏数据进行直线拟合，得到不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki，i＝1～N，N为初始启动温度数；

[0059] (3.2)、分别计算不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态温度区间 内零偏数据中温度平均值 i＝1～N；

[0060] (3.3)、根据不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki和步骤(3.2)中的不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏数据中温度平均值 进行二项式拟合得到不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏斜率ki与温度的关系；

[0061] (3.4)、采用对应初始温度条件下的激光陀螺松弛态零偏模型，计算过渡态温度区间起点温度 对应的激光陀螺零偏，将其代入公式y＝kix+bi，计算得到纵截距bi，最终得到该起始温度条件下对应的过渡态模型。

[0062] (4)、根据所有不同初始启动温度下激光陀螺稳定态零偏试验数据进行拟合，得到所有不同启动温度下激光陀螺稳定态零偏温度模型；

[0063] (5)、激光陀螺上电启动后，根据激光陀螺初始启动温度和实时温度识别其处于松弛态、过渡态还是稳定态，选择相应初始启动温度下的相应零偏温度模型计算得到激光陀螺零位偏差；

[0064] (6)、在激光陀螺实际输出基础上减去激光陀螺零位偏差得到激光陀螺输出真值。

[0065] 实施例：

[0066] 下面以一个具体实施例重点对本发明零偏模型作更进一步的解释：

[0067] (1)激光陀螺零偏漂移误差漂移特性测试试验的步骤如下：

[0068] 1、如图2所示，将激光陀螺惯性测量组件放置于温箱中固定并连接测试设备。

[0069] 2、设置温箱温度变化曲线如图3所示，首先在T0温度下保温4小时后，按照0.5℃/min的变温率使温箱温度由T0升高至70℃后保温4h。

[0070] 3、步骤2中温箱保温完毕后，激光陀螺上电启动，按1Hz的采样频率采集陀螺输出以及陀螺仪温度传感器的温度值。

[0071] 4、依次设置温度T0为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃，重复步骤2～步骤4，一共进行5组连续标定。

[0072] (2)激光陀螺零偏漂移特性误差建模步骤如下：

[0073] 如图4所示，为测试试验过程中得到的陀螺输出漂移与温度的关系。图3中的5条曲线对应着5组试验。基于三态理论的激光陀螺零偏漂移特性误差建模主要包括不同初始启动温度下激光陀螺松弛态和过渡态零偏模型、所有启动温度下激光陀螺稳定态零偏温度模型。

[0074] a.激光陀螺松弛态零偏温度模型

[0075] 松弛态陀螺零偏温度模型描述了陀螺启动时零偏与温度的关系。从图4中可以看出，不同上电温度下，陀螺的初始零偏不同。这里取5组不同初始启动温度下对应陀螺的上电初始零偏，利用最小二乘法拟合得到2阶多项式模型。这里以X陀螺进行说明，具体操作步骤如下：

[0076] (a)、为了减小噪声的干扰，这里分别取第i组试验初始上电100s的陀螺输出平均值Ni(i＝1～5)与温度传感器测量的平均值Ti(i＝1～5)为该组试验的松弛态启动点。

[0077] (b)、X陀螺试验得到的Ni(i＝1～5)与Ti(i＝1～5)分别为T1＝-39.7273℃，N1＝0.15656°/h；T2＝-19.1695℃，N2＝0.164832°/h；T3＝0.872815℃，N3＝0.173838°/h；T4＝
20.85735℃，N4＝0.188135°/h；T5＝40.91178℃，N5＝0.195542°/h；根据最小二乘方法，建立松弛态陀螺零偏与温度的2阶多项式模型为：

[0078] Bsx＝7.275589×10-7T2+5.020243×10-4T+1.748153×10-1

[0079] 式中，Bsx为陀螺零偏，T为陀螺温度。

[0080] b、激光陀螺过渡态零偏温度模型：

[0081] 过渡态陀螺零偏温度模型描述了激光陀螺在过渡态零偏与温度的关系，如图5所示，具体操作步骤如下：

[0082] (a)、将五组不同初始启动温度下激光陀螺过渡态温度区间 内零偏数据进行直线拟合，得到不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki，i＝1～5；

[0083] (b)、分别计算五组不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态温度区间内零偏数据中温度平均值 i＝1～5；

[0084] (c)、根据不同初始启动温度下温度与激光陀螺零偏的直线斜率ki和步骤(b)中的不同初始启动温度下对应的激光陀螺过渡态零偏数据中温度平均值 进行二项式拟合得到不同初始启动温度下激光陀螺过渡态零偏斜率ki与温度的关系模型为：

[0085] ki＝3.608321×10-5T2+1.601534×10-3T+1.573917×10-1

[0086] 式中，T为温度。

[0087] (d)、采用对应初始温度条件下的激光陀螺松弛态零偏模型，计算过渡态温度区间起点温度 对应的激光陀螺零偏，将其代入公式y＝kix+bi，计算得到纵截距bi，最终得到该起始温度条件下对应的过渡态模型：

[0088] Bsx＝kiT+bi。

[0089] c、激光陀螺稳定态零偏温度模型：

[0090] 如图6所示，取所有温度初始条件下获得的稳定态陀螺脉冲与温度的试验数据，根据最小二乘得到稳定态陀螺零偏与温度的2阶多项式模型为：

[0091] Bsx＝-4.382243×10-7T2+5.919845×10-4T+1.491104×10-1

[0092] 式中，Bsx为陀螺零偏，T为温度。

[0093] 本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。