光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法

2023-12-11 15:39:32 3

專利名稱：光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法。
背景技術：
傳統的機電式慣性測量裝置(以下簡稱IMU)通電後馬達需要十餘秒的同步時間，還需要溫控來保證精度，很難實現快速啟動。光纖陀螺IMU在-40℃～65℃溫度範圍內可以瞬時啟動，但零偏存在較大的漂移，噪聲也較大，國外文獻未見相關的測試和補償方法的報導，這在一定程度上限制了光纖陀螺的應用。同時，和機電式陀螺相比，光纖陀螺輸出噪聲較大。隨機遊走係數RWC是表徵光纖陀螺中白噪聲大小的一項技術指標，在系統中引入隨工作時間t的平方根增長的航向角誤差=RWCt,]]>航向角的這種不確定性削弱了慣性測量系統的性能，因此，需設法降低光纖陀螺隨機遊走係數。

發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種光纖陀螺慣性測量裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法，採用該方法可以有效地降低光纖陀螺慣性測量系統的零位溫度漂移和噪聲，提高其快速反應能力。
本發明的技術解決方案一種光纖陀螺慣性測量裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法，其特點在於包括下列步驟(1)在全溫度範圍-40～+65℃內，通過溫度標定系統得到各個溫度點下的光纖陀螺和加速度計隨溫度變化的輸出數據；(2)根據步驟(1)中得出的溫度數據，經過剔野值、加權處理後，採用平均選點法求出Kf0為光纖陀螺零偏補償的零次項係數，Kf1為光纖陀螺零偏補償的一次項係數，KaT0為加速度計零偏補償的零次項係數，KaT1為加速度計零偏補償的一次項係數，KaT2為加速度計零偏補償的二次項係數，建立零偏溫度補償模型，其中光纖陀螺的零偏為溫度的一次函數Kf0(T)＝KfT0+KfT1T(1)石英加速度計零偏溫度模型為溫度的二次函數Ka0(T)＝KaT0+KaT1T+KaT2T2(2)(3)將上述求出的各補償係數KfT0、KfT1、KaT0、KaT1、KaT2，寫入計算機系統，當IMU工作時，根據溫度傳感器輸出溫度T0，計算對應的補償量Kf0(T0)、Ka0(T0)，從輸出中扣除；(4)進行上述零偏補償後，再採用小波變換濾波，對光纖陀螺的補償殘差進行濾波後輸出，以減小噪聲。
本發明和現有技術相比的優點在於本發明對光纖陀螺和石英加速度計輸出中確定性部分採用加權平均選點法進行建模，有效地減小溫度引起零偏變化，加權的平均選點法具有較高的工程應用價值，它方法簡單，測試量小，尤其對自變量——溫度的測量精度要求不高，建立的溫度模型具有比最小二乘法更高的穩定性，而且可以通過不同的選點方式，降低重要溫度區間的擬合殘差；對光纖陀螺高低溫下噪聲進行小波變換處理，根據不同的小波基濾波效果，採取了適合工程應用的濾波方法，使光纖陀螺的零偏穩定性優於0.5°/h，加速度計補償後零偏誤差小於10-4g，有效地降低了光纖陀螺慣性測量裝置的零位溫度漂移和噪聲，提高了系統的性能，降低了對光纖陀螺精度的要求，在一定程度上緩解了精度和成本的矛盾。


圖1為本發明溫度標定係數的構成示意圖；圖2為光纖陀螺未加零偏補償時的輸出結果；圖3為光纖陀螺採用本發明的方法補償的輸出結果；圖4為加速度計未加零偏補償時的輸出結果；
圖5為加速度計採用本發明的方法補償後的輸出結果；圖6為本發明的光纖陀螺採用Db4小波濾波前的效果；圖7為本發明的光纖陀螺採用Db4小波濾波後的效果。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的標定測試設備由高精度溫度控制設備TD-500和單軸精密迴轉臺3TS-320B組成，在迴轉臺試驗件安裝機構部分罩上溫控設備TD-500，對被測件進行溫度控制。因為迴轉臺安裝在隔振基座上，溫控設備工作震動和人員走動不會影響到IMU，保證測試數據的可靠性。
IMU安裝在迴轉臺安裝面，被測試的角速率輸入軸水平。迴轉臺工作在速率模式，可以對陀螺進行速率標定，位置模式設定迴轉臺以數字式光柵分度頭方式工作，對加速度計進行±1g範圍內的線性度測試。在設定的溫度點標定IMU，得到儀表的零偏。
採用上述的溫度標定系統，在全溫度範圍-40～+65℃內，選取8個溫度點-40，-20，-10，0，10，20，40，65℃，即T1～T8，在每個溫度點上充分保溫後測試3分鐘，將輸出數據剔除野點後加權，權值分別取α1～αj，滿足1ji=1---(3)]]>且α1＜α2＜...＜αj，即在各個溫度點下給予靠後的數據較大的權重。
平均選點法的基本思想是將全部試驗點分成兩組，前半部n1個試驗點的點系中心的坐標為X1=1n1i=1n1Xi]]>Y1=1n1i=1n1Yi---(4)]]>後半部n2個試驗點的點系中心的坐標為
X2=1n2i=n1+1nXi]]>Y2=1n2i=n1+1nYi---(5)]]>通過這兩個點系中心 的直線，即回歸直線的斜率為b^=Y2-Y1X2-X1---(6)]]>它在Y軸上的截距a^=Y1-b^X1---(7)]]>回歸直線方程為Y＝+x (8)即是本發明中的公式(1)中的光纖陀螺的補償模型。
對於公式(2)的加速計計的多項式，平均選點法的處理方法為y=a0+a1x+a2x2=j=02ajxj---(9)]]>對於試驗數據中的任意一點(x0，y0)有y0＝a0+a1x0+a2x02(10)y-y0＝[a1+a2(x+x0)](x-x0)y-y0x-x0=a1+a2x0+a2x---(11)]]>令y-y0x-x0=z,]]>a1+a2x0＝b，則上式變為直線方程z＝b+a2x (12)利用平均選點法求出這直線方程的係數b和a2，進而可以求出a0和a1，即可確定加速度計的補償模型。
本發明中溫度測試數據經過剔野值、加權處理後，採用平均選點法求出KfT0、KfT1、KaT0、KaT1、KaT2，建立式(1)和(2)的補償模型，如圖2、4所示，同時將上述各係數寫入計算機系統。當IMU工作時，根據溫度傳感器輸出溫度T0，計算對應的補償量Kf0(T0)、Ka0(T0)，從輸出中扣除，如圖3、5所示，通過將圖2和圖3、圖4和圖5進行對比可以看出，光纖陀螺和加速度計的補償前後效果完全不同，經過本發明的零位補償，消除了光纖陀螺和加速度的零偏。
進行上述零偏補償後，再採用小波變換濾波法，對光纖陀螺的補償殘差進行濾波後輸出，以消除噪聲。小波具有對信號良好的局部時頻刻劃性能，在去除大部分噪聲的同時，保留信號的瞬態特徵。根據濾波效果，選擇消失矩為2的Db4小波對補償殘差濾波，降低光纖陀螺的噪聲。所採用的尺度函數為 小波函數為 構成的一個基於Mallat算法的濾波器，其濾波器係數滿足h0＝0.683，h1＝1.183，h2＝0.317，h3＝-0.183利用上述濾波器，大大降低了光纖陀螺輸出白噪聲，濾波效果如圖7所示，比濾波前如圖6的效果明顯。
以上是光纖陀螺和加速度計一個方向如X方向上的補償和濾波，其它方向如Y方向和Z方向的補償和濾波與此相同。
本發明在大量測試試驗的基礎上，採用溫度建模的方法補償溫度引起的光纖陀螺和石英加速度計零偏變化，消除IMU零偏對溫度的靈敏性，提高了系統的使用精度。同時，採用小波濾波的方法，降低光纖陀螺的噪聲，保證了光纖陀螺IMU在-40℃～65℃範圍內快速啟動和工作精度。
權利要求
1.一種光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法，其特徵在於包括下列步驟(1)在溫度範圍-40～+65℃內，通過溫度標定系統得到各個溫度點下的光纖陀螺和加速度計隨溫度變化的輸出數據；(2)根據步驟(1)中得出的溫度數據，經過剔野值、加權處理後，採用平均選點法求出Kf0為光纖陀螺零偏補償的零次項係數，Kf1為光纖陀螺零偏補償的一次項係數，KaT0為加速度計零偏補償的零次項係數，KaT1為加速度計零偏補償的一次項係數，KaT2為加速度計零偏補償的二次項係數，建立零偏溫度補償模型，其中光纖陀螺的零偏為溫度的一次函數Kf0(T)＝KfT0+KfT1T (1)石英加速度計零偏溫度模型為溫度的二次函數Ka0(T)＝KaT0+KaT1T+KaT2T2(2)(3)將上述求出的各補償係數KfT0、KfT1、KaT0、KaT1、KaT2，寫入計算機系統，當IMU工作時，根據溫度傳感器輸出溫度T0，計算對應的補償量Kf0(T0)、Ka0(T0)，從輸出中扣除；(4)進行上述零偏補償後，再採用小波變換濾波法，對光纖陀螺的補償殘差進行濾波後輸出，以減小噪聲。
2.根據權利要求1所述的光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法，其特徵在於所述步驟(4)中的小波變換採用消失矩為2的Db4小波。
全文摘要
一種光纖陀螺慣測裝置快速啟動和精度保證的工程實現方法，採用溫度標定系統進行溫度模型測試；對光纖陀螺和石英加速度計輸出中確定性部分採用平均選點法進行建模，有效地減小溫度引起零偏變化；對光纖陀螺高低溫下噪聲進行小波變換處理，根據不同的小波基濾波效果，採取了適合工程應用的濾波方法，使光纖陀螺的零偏穩定性優於0.5°/h，加速度計補償後零偏誤差小於10
文檔編號G01C19/72GK1687707SQ20051007485
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月7日 優先權日2005年6月7日
發明者王巍, 張志鑫, 王頌邦, 楊清生, 朱紅生, 秦偉亮, 韓英傑 申請人:中國航天時代電子公司