一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的装置和方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的装置和方法。

背景技术

MEMS(微机械)陀螺仪是卫星姿态控制系统中重要的零部件，用于测量卫星的角速率，而零偏是MEMS陀螺最主要的误差来源，也是衡量陀螺仪性能的主要指标。所谓零偏，是指当外部角速率输入为零时，陀螺仪输出信号围绕其均值的波动。

陀螺仪的零偏并非定值，它会随着时间而缓慢变化，这是由于内部电磁的善变噪声和外部影响导致的，而且每次启动之初的零偏也是不同的。除此之外，MEMS陀螺仪对温度变化也很敏感，如果不进行温度补偿，陀螺的零偏在不同温度下可差数十度每秒。而卫星所处的太空环境温差很大，陀螺仪在这种工作环境下进行温度补偿是十分必要的。

常见的陀螺温度零偏补偿方法是在不同温度下采集陀螺仪静置时输出的角速度，对温度和角速度进行最小二乘拟合。

例如，专利CN102230806A公开了一种陀螺仪的温度漂移补偿方法，包括步骤：1)在稳定状态下采集陀螺仪温度以及三个轴的角速度数据；2)按温度进行排序，将温度分成若干等间距的区间；3)对区间内的角速度数据进行等量采样；4)对每个温度区间内的采样角速度数据取算数平均值，作为角速度代表值；5)温度和零点角速度的数值对采用直线拟合公式：y＝a+bx，进行直线拟合，得到参数a和b的值，x表示温度，y表示零点值；6)测量当前陀螺仪三个轴的角速度数值和温度值，用直线拟和公式计算出零点值，角速度测量数值和零点值做差，即完成陀螺仪的温度漂移补偿。

专利CN106500728B公开了一种陀螺仪的温度漂移补偿方法和装置，该陀螺仪设置在终端设备中，方法包括：在终端设备启动后，采集陀螺仪的温度数据并利用陀螺仪采集得到对应的多组陀螺仪数据；判断终端设备是否处于静止状态，当判断出终端设备处于静止状态时，根据终端设备中保存的温度与陀螺仪数据的对应关系，并利用当前采集的陀螺仪数据，实时补充或更新指定温度对应的陀螺仪数据后保存；计算补充或更新后的陀螺仪数据的校准值，利用陀螺仪数据的校准值对采集的陀螺仪数据进行补偿。

专利CN103256941B公开了一种MEMS陀螺仪高阶温度补偿的实用方法，用于对MEMS陀螺仪和加速度计进行温度补偿，该方法包括：(1)建立陀螺仪的零偏角速度输出值和温度的模型；(2)根据不同的温度和不同的角速度下陀螺仪的零偏角速度输出值通过拟合获得陀螺仪的上述模型所需的一系列的温度补偿系数；(3)根据模型与温度补偿系数建立陀螺仪在全温度范围内的补偿计算模型，根据补偿计算模型计算得到陀螺仪在温度补偿后的零偏角速度输出信号。

如上所述，现有技术均未考虑空间环境的影响，对于星载陀螺仪而言拟合效果并不好；现有技术无法进行实时标定，不能很好的解决陀螺断电重新上电后零偏改变的问题；现有技术仅能进行直线拟合，但是有些陀螺零偏随温度变化的趋势可能更接近于抛物线。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的方法，其特征在于，所述方法至少包括：基于星体的参考角速度和原始角速度的差值得到陀螺仪的实时零值偏移参数。本发明通过从星体的姿态参数提取实时的参考角速度来进行实时零值偏移的还原，只要星敏感器正常工作就能够得到实时零值偏移，从而使得校正的角速度更准确。

将所述实时零值偏移参数和温度参数基于最小二乘法进行多阶拟合以得到温度偏移校正系数，基于所述温度偏移校正系数校正原始角速度为校正角速度。本发明通过多项式拟合的系数的设置，对于零偏温度漂移特性不同的陀螺仪，都具有普适性。

优选的，星体的所述参考角速度的计算方式为：将星敏感器采集的姿态参数以差分的方式处理得到所述参考角速度。通过提取实时的卫星在轨真实数据，能够使得拟合的温度偏移校正系数更精确。

优选的，基于最小二乘法进行多阶拟合以得到温度偏移校正系数的方法包括：建立陀螺仪拟合模型Z＝HX，其中，Z＝0；

H表示各阶温度矩阵，H[T

X表示各阶温度漂移校正系数矩阵，X＝[X

将所述实时零值偏移参数和温度参数代入所述拟合模型得到各阶温度漂移校正系数矩阵。现有技术在陀螺仪的实时零值偏移随温度变化趋势呈抛物线时拟合效果较差。本发明的多项式拟合的次数可以通过修改参数来设置，既可以拟合直线，也可以拟合抛物线，从而在陀螺仪的实时零值偏移随温度变化趋势呈抛物线时也能够准确拟合。

优选的，拟合模型中，X

其中，X

本发明提供一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的装置，至少包括星载计算模块，其特征在于，所述星载计算模块基于星体的参考角速度和原始角速度的差值得到陀螺仪的实时零值偏移参数；将所述实时零值偏移参数和温度参数基于最小二乘法进行多阶拟合以得到温度偏移校正系数，从而校正角速度。本发明的装置基于星敏感器的姿态参数中实时提取的参考角速度来进行实时拟合，能够得到较准确的角度数据。

优选的，所述星载计算模块与星体的星敏感器建立通信连接，

所述星载计算模块将所述星敏感器采集的姿态参数以差分的方式处理得到所述参考角速度。本发明通过从星体的姿态参数提取实时的参考角速度来进行实时零值偏移的还原，只要星敏感器正常工作就能够得到实时零值偏移，从而使得校正的角速度更准确。

优选的，基于最小二乘法进行多阶拟合以得到所述温度偏移校正系数的方法包括：建立陀螺仪拟合模型Z＝HX，其中，Z＝0；

H表示各阶温度矩阵，H＝[T

X表示各阶温度漂移校正系数矩阵，X＝[X

将所述实时零值偏移参数和温度参数代入所述拟合模型得到各阶温度漂移校正系数矩阵。各阶温度漂移校正系数矩阵能够对各阶的角速度进行精确校正。本发明不必在静止条件下测试，在星体在轨时就能够有效计算陀螺仪的实时零值偏移。

优选的，拟合模型中，，X

其中，X

优选的，星载计算模块可以是一体式的数据处理模块，也可以有多个数据处理模块构成。所述星载计算模块至少包括第一数据处理模块、第二数据处理模块和第三数据处理模块，所述第一数据处理模块基于星体的参考角速度和原始角速度的差值得到陀螺仪的实时零值偏移参数；所述第二数据处理模块用于接收MEMS陀螺仪发送的温度参数和/或对温度参数进行预处理，第三数据处理模块将所述实时零值偏移参数和温度参数基于最小二乘法进行多阶拟合以得到温度偏移校正系数，从而校正角速度。通过多个数据处理模块的同时处理，能够同时处理多种数据的速度和计算能力，并且能够有效散热。

优选的，所述第一数据处理模块将所述星敏感器发送的姿态参数以差分的方式处理，得到所述参考角速度。

附图说明

图1是校正MEMS陀螺仪温度漂移的装置的结构示意图；

图2是校正MEMS陀螺仪温度漂移的方法的逻辑示意图。

附图标记列表

10：星敏感器；20：MEMS陀螺仪；30：温度传感器；40：星载计算模块；41：第一数据处理模块；42：第二数据处理模块；43：第三数据处理模块；44：第四数据处理模块。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

现有技术的缺陷在于：第一，未考虑空间环境的影响，星载陀螺仪的数据拟合效果并不好；第二，无法实时标定，不能解决陀螺断电重新上电后零偏改变的问题；第三，仅能进行直线拟合，对于部分陀螺仪零偏随温度变化的趋势可能更接近于抛物线的情况，其拟合的效果不好。

现有技术中的零值偏移是指：在陀螺静止时，陀螺仪仍会输出信号。当输入角速率为零时，以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示，单位为/h，/s。理想状态下该数值应为地球自转角速度的分量。在角速度输入为零时，陀螺仪的输出是一条复合白噪声信号缓慢变化的曲线，曲线的平均值就是零偏值，属于出厂时的测量数值，不是实时的数值。在陀螺仪断电又重新通电恢复，陀螺仪实际的零值偏移已经改变。按照出厂时计算的零值偏移来计算温度补偿，必然存在偏差。零偏重复性是指在同样条件下及规定时间间隔内，重复测量陀螺零偏之间的一致程度，以各次测试得到的零偏的标准差表示。因此，现有技术中，将零偏重复性作为陀螺仪精度的级别判断之一。

本发明中的零值偏移，也称为真零值偏移或者实时零值偏移，是根据星体的实时参考角速度和实时的原始角速度计算得到的实时状态的陀螺仪的真实的、实时的零值偏移。即使陀螺仪断电后重新通电恢复，计算得到的实时零值偏移也是真实准确的数值，不是固定不变的数值。由于本发明能够计算实时的零值偏移，因此，陀螺仪的规格和级别的选择标准就能够放宽，星体能够设置普适的陀螺仪，从而进一步降低陀螺仪的选择成本。

本发明中，姿态参数、参考角速度、原始角速度、实时零值偏移参数、温度参数、温度漂移校正系数和校正角速度均可以含有相关的时间信息，也可以不含有相关的时间信息。优选的，本发明中的姿态参数、参考角速度、原始角速度、实时零值偏移参数、温度参数、温度漂移校正系数和校正角速度含有相关的时间信息。

实施例1

针对现有技术不足，本发明提供一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的装置，至少包括星载计算模块40，用于基于星敏感器的参考角速度和温度对MEMS陀螺仪的陀螺仪零偏进行拟合校正。优选的，星载计算模块40可以是用于数据处理的专用集成芯片、处理器、单片机、服务器、服务器群组中的一种或几种。

具体地，如图1所示，星载计算模块40与卫星的星敏感器10、MEMS陀螺仪20和温度传感器30通过有线或无线使得方式分别建立通信连接，以进行数据的传输。

姿态参数是指卫星姿态参数，是指卫星星体在轨道上运行所处的空间指向状态。直角坐标系的原点置于星体上，指向地面的Z轴反映偏航方向，Y轴反映俯仰方向，X轴反映滚动方向，通常采用三轴稳定、自旋稳定、重力梯度稳定等方式保持姿态的稳定。

星敏感器10采集卫星的若干姿态参数并发送至星载计算模块40。MEMS陀螺仪20采集卫星的原始角速度并发送至星载计算模块40。温度传感器30采集卫星的温度参数并发送至星载计算模块40。

星载计算模块40将姿态参数以差分的方式处理得到参考角速度。

例如，通过公式

ω

优选的，将姿态参数以差分的方式处理得到参考角速度的计算方法还可以用四元数求角速度。

具体地，令q(t)是一个单位四元数函数，ω(t)是由q(t)确定的角速度。则q(t)的导数为：

在tΔt时刻，旋转可以描述为q(t+Δt)。在Δt过程中，物体坐标系在经过q(t)旋转的前提下，又经过额外的微小旋转。额外的微小旋转的瞬时旋转轴为ω^＝ω/∥ω∥，旋转角度为Δθ＝∥ω∥Δ，可以用一个单位四元数描述：

等式右边第一项是高阶项趋近于零，可省略，因此，

若dt为采样间隔

在q(k)归一化的情况下，q(k)＝q

ω(k)即为需要得到的角速度。

优选的，星载计算模块40计算参考角速度与原始角速度的差值，得到还原的MEMS陀螺仪的实时零值偏移参数。本发明通过参考角速度与原始角速度来还原实时零值偏移参数，能够提高实时零值偏移参数的准确度。

星载计算模块40将实时零值偏移参数与温度参数基于最小二乘法进行拟合，得到拟合后的温度漂移校正系数。本发明利用卫星上的MEMS陀螺仪采集的原始角速度能够实时计算实时零值偏移参数，从而得到准确的温度漂移校正系数。

星载计算模块40计算拟合后的温度漂移校正系数的方式如下所示：

星载计算模块40内的最小二乘法支持不同阶次的拟合，最高支持到2阶拟合，设n表示拟合阶次，T表示温度。拟合阶次n可以通过修改参数进行多次设置，既可以拟合直线，也可以拟合抛物线。

其中，星载计算模块40内设置有MEMS陀螺仪拟合模型：Z＝HX。其中，Z＝0。

H表示各阶温度矩阵。H＝[T

其中：X

P

X

P

H

Z

如上所示，星载计算模块40计算得到各阶温度漂移校正系数矩阵。本发明的多项式拟合的次数可以通过修改参数来设置，既可以拟合直线，也可以拟合抛物线，从而使得拟合结果更为精确。不仅如此，在多项式拟合的系数可以设置的情况下，对于零偏温度漂移特性不同的陀螺仪，本发明都具有很好的普适性。

星载计算模块40基于温度漂移校正系数计算校正后的校正角速度。星载计算模块40将得到的校正角速度和/或温度漂移校正系数以有线或无线的方式传输至需要角速度数据的其他模块中。由于本发明的计算过程以星敏感器得到的参考加速度为参考值，因此，本发明不需要在静止条件下测试，只要卫星在轨道时星敏感器处于有效的工作状态，本发明的星载计算模块就能够还原陀螺仪的实时零值偏移参数，进而以精确的校正系数来校正角速度。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步补充说明，重复的内容不再赘述。

星载计算模块40包括至少一个数据处理模块，用于进行数值的计算和处理。

优选的，星载计算模块40包括第一数据处理模块41、第二数据处理模块42和第三数据处理模块43。第一数据处理模块41、第二数据处理模块42和第三数据处理模块43均可以是专用集成芯片、处理器、单片机、服务器、服务器群组中的一种或几种。

第一数据处理模块41分别用于接收星敏感器10采集的若干姿态参数和MEMS陀螺仪20采集的原始角速度。并且，第一数据处理模块41通过姿态参数差分得到参考角速度。第一数据处理模块41基于参考角速度与原始角速度的差值得到陀螺仪的实时零值偏移参数。第一数据处理模块41将实时零值偏移参数及其相关联的时间信息发送至第三数据处理模块43。

第二数据处理模块42用于接收温度传感器30发送的温度参数并进行预处理。优选的，预处理的方式至少包括筛除异常数据，对数据按照时间排序等等预先处理步骤。第二数据处理模块42将经过预处理的温度参数及其时间信息发送至第三数据处理模块43。

第三数据处理模块43基于最小二乘法将实时零值偏移参数和温度参数进行多节拟合，得到温度漂移校正系数。优选的，第三数据处理模块43为最小二乘拟合器。

优选的，星载计算模块40还可以包括第四数据处理模块44。第四数据处理模块44与第三数据处理模块43以有线或无线的方式建立通信连接。第三数据处理模块43将温度漂移校正系数发送至第四数据处理模块44。第四数据处理模块44根据温度漂移校正系数修正原始角速度，得到准确的修正角速度。

相比于有单一的芯片或者服务器形成的星载计算模块，本实施例的星载计算模块由若干数据处理模块构成，更有利于数据运算在多个模块的同时进行，并且有利于装置散热。

优选的，第一数据处理模块41还可以细分为更多的小的计算模块，根据数据处理需要来设置。

例如，第一数据处理模块41包括差分模块、角速度模块和差值计算模块。

差分模块用于接收星敏感器发送的姿态参数，并且从姿态参数中差分得到参考角速度。差分模块将参考角速度发送至差值计算模块。

角速度模块用于接收陀螺仪发送的原始角速度，并且发送至差值计算模块。

差值计算模块将同一时刻或者实时的参考角速度和原始角速度进行差值运算，得到陀螺仪的实时零值偏移。

实施例3

本实施例提供一种校正MEMS陀螺仪温度漂移的方法，如图2所示。本发明的方法步骤至少包括：

S1：接收由星敏感器发送的姿态参数、由陀螺仪发送的原始角速度和由温度传感器发送的温度参数；

S2：将姿态参数以差分的方式处理得到参考角速度；

S3：基于参考角速度与原始角速度的差值得到零度偏差参数；

S4：基于最小二乘法将温度参数与零度偏差参数进行拟合，得到温度漂移校正系数；

S5：基于温度漂移校正系数来校正原始角速度，得到拟合后的校正角速度。

本发明通过在轨卫星的星敏感器的姿态参数得到实时的参考角速度，有利于还原陀螺仪的实时零值偏移参数，也避免了再陀螺仪断电重启后零值偏移改变的缺陷，从而得到精确的温度漂移校正系数。本发明的多项式拟合的次数能够通过修改参数来设置，即能够拟合直线，也能够拟合抛物线，从而避免了现有技术中的温度变化呈抛物线时无法准确拟合的缺陷。同时，本发明的多项式拟合的次数能够通过修改参数来设置的方式，其优势还在于，对于零偏温度漂移特性不同的陀螺都具有很好的普适性。本发明的温度漂移校正系数的校正方法，不需要在静止条件下进行测试，只要卫星在轨且星敏感器正常工作，就能够计算还原得到准确的实时零值偏移参数。

其中，基于最小二乘法将温度参数与零度偏差参数进行拟合，得到温度漂移校正系数的具体步骤为：

星载计算模块40内的最小二乘法支持不同阶次的拟合，最高支持到2阶拟合，设n表示拟合阶次，T表示温度。

其中，星载计算模块40内设置有MEMS陀螺拟合模型：Z＝HX。其中，Z＝0。

H表示各阶温度矩阵。H＝[T

X表示各阶温度漂移校正系数矩阵。X＝[X

其中：X

P

X

P

H

Z

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。