三轴光纤陀螺仪正交性静态标定方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺仪标定领域，尤其涉及三轴光纤陀螺仪正交性静态标定方法。

背景技术

光纤陀螺是基于萨格奈克效应的传感仪器，它测量的原理是通过测量两束光的光程差来确定旋转角度和角速度，在惯性导航系统和海上寻北系统中得到了广泛的应用。光纤陀螺的标定和安装误差补偿是针对坐标系建立的数学模型,并进行该数学模型参数计算的过程。在光纤陀螺系统的安装过程中,需要将三个单轴光纤陀螺安装在对应基座上，这就会造成实际光纤陀螺传感器坐标系与理想载体坐标系之间存在不可忽略的安装误差。导致如图1所示的三轴不正交现象，会极大影响光纤陀螺的输出精度，因此必须对此系统进行正交性校正。

如图2所示，在传统的光纤陀螺传感器正交补偿中,往往采用动态的标定方法，即通过获取电动转台的实际转速来校正光纤陀螺存在的角度偏差，这种方法简单、易操作，但是对转台的要求很高，基本要求转台精度大于光纤陀螺自身精度一个数量级，并且当转台无法满足和基座正交时就无法得出所有轴上的正确输出。还有一种通用方法如图3所示是利用真实的姿态角来校正三轴光纤陀螺，这种方法需要得到当前位置下的航向角、横滚角与俯仰角，然后代入误差方程求得最优解，但是又存在很难得到精确的姿态角的情况。以上两种方法在拥有高精度的精密仪器的情况下都有着很好的校正效果，但是当实验条件无法达到要求时有可能会增大误差。

综上所述，目前以转速校正非正交误差和以姿态角校正非正交误差的方法存在一定程度上的限制。

发明内容

本申请实施例的目的在于针对先有技术存在的不足，提供一种三轴光纤陀螺仪正交性静态标定方法，技术方案如下：

一种三轴光纤陀螺仪正交性静态标定方法，包括：

(1)安装步骤：将三个光纤陀螺分别安装在三轴基座上并固定到转台的台面上，将光纤陀螺的敏感轴与转台的旋转轴平行，通过转台的旋转带动所述光纤陀螺转动；

(2)数据采集步骤：在所述光纤陀螺系统旋转过程中，在若干个位置上静态采集光纤陀螺三个敏感轴的不含零偏的角速率值；

(3)光纤陀螺标定步骤：根据采集到的不含零偏的角速率值，通过三轴角速率平方和等于地球自转角速度原则，进行三轴光纤陀螺的正交性标定计算。

进一步地，步骤(1)中安装的光纤陀螺为去除零偏后的光纤陀螺，去除零偏的方法为：

将三个光纤陀螺水平放置于水平面，根据右手螺旋定则，其敏感轴方向垂直向上；

将光纤陀螺静置5-10小时，采集光纤陀螺静态长时间角速度值的原始输出数据；

对采集后的光纤陀螺数据进行分析，去除低频噪声后，求得光纤陀螺根据地球角速度的对天分量，结合实验当地的纬度信息进行三个光纤陀螺的常值零偏的标定去除。

进一步地，所述不含零偏的输入角速率的计算表达式为

G

G

G

其中G

进一步地，步骤(2)中，所述静态采集具体为：在转动后等待预定时长再进行采集。

进一步地，在所述光纤陀螺系统旋转过程中，每次转动均同时改变三轴光纤陀螺敏感轴的方向。

进一步地，步骤(3)具体为：

根据三轴角速率平方和等于地球自转角速度的原则，列出若干组方程，通过数据拟合的形式，求出使得光纤陀螺三轴角速率平方和最接近地球自转角速度的角度误差最优解，计算光纤陀螺敏感轴的标定输出角速率，并根据所述最优解以及标定输出角速率进行光纤陀螺的标定计算。

进一步地，所述三轴角速率平方和等于地球自转角速度的原则，其具体表达式为：

ω

ω

进一步地，通过最小二乘法求出使得光纤陀螺三轴角速率平方和最接近地球自转角速度的角度误差最优解：

f(x)＝ω

ω

进一步地，根据所述最优解以及标定输出角速率进行光纤陀螺的标定计算，具体为：

即可求得正交坐标系下的三轴光纤陀螺角速度输出值。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请应用于光纤陀螺的测试过程中，能够较好的标定三轴光纤陀螺的非正交性误差。本发明无需配备高精度转速的电动转台，并且对实验环境要求低，简化了测试过程中的重复操作，保证能够达到预期的测试允许的测试系统误差。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的三轴光纤陀螺非正交误差示意图。

图2是非正交误差速度标定法的示意图。

图3是非正交误差角度标定法的示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种应用于光纤陀螺零偏去除方法的流程图。

图5是根据一示例性实施例示出的一种三轴光纤陀螺正交性静态标定方法的示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的电动转台的示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的三轴光纤陀螺正交性校正后三轴平方和效果示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的三轴光纤陀螺正交性校正后寻北效果示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

三轴光纤陀螺指的是拥有三个敏感轴的独立光纤陀螺，它们有着各自的零偏值和标度因数，在进行正交性校正前，需要对光纤陀螺的零偏值和标度因数进行标定，如果带有零偏误差和标定因数误差进行求解时，会扩大正交性校正的不稳定性。如图4所示的是一种去除零偏的方法，其方法包括以下步骤：

放置步骤S1：将三个光纤陀螺水平放置于水平面，根据右手螺旋定则，其敏感轴方向垂直向上。

采集步骤S2：将光纤陀螺静置5-10小时，采集光纤陀螺静态长时间角速度值的原始输出数据。

分析计算步骤S3：对采集后的光纤陀螺数据进行分析，去除低频噪声后，求得光纤陀螺根据地球角速度的对天分量为ω

由于光纤陀螺是一种高精度的精密传感器，在出厂前厂家已经对光纤陀螺进行过标度因数的标定，且标度因数的非线性以及不对称性处于百万分之几的量级，其对校正结果基本没有影响。

如图1所示是光纤陀螺安装非正交误差的通用模型，OXYZ是光纤陀螺的全局坐标系，此坐标系下的XYZ三轴互相垂直构成正交坐标系，三轴的交点为坐标系原点，该坐标系通常依据载体设置。OG

(1)安装步骤：将三个光纤陀螺分别安装在三轴基座上并固定到转台的台面上，将光纤陀螺的敏感轴与转台的旋转轴平行，通过转台的旋转带动所述光纤陀螺转动；

具体地，本系统使用的转台如图6所示，台体采用U-U-T结构形式，可模拟运载体的三维运动，使用此种转台能很好地固定光纤陀螺装置，减少由固定不牢固带来的晃动。本实施方案中需要将三轴光纤陀螺固定到基座的三个旋转轴上。

(2)数据采集步骤：在所述光纤陀螺系统旋转过程中，在至少9个位置上以1000Hz的频率静态采集光纤陀螺三个敏感轴的角速率值，转台转动时需改变光纤陀螺三个敏感轴的方向；

在一实施例中，需要通过电动转台转动光纤陀螺至68个不同位置，记录68组所述三个光纤陀螺的敏感轴上的不含零偏的输入角速率，采集多组数据能够减少非正常干扰带来的影响，在本实施方案中标定时以采集68组数据为例。正常情况下方程组只有9个未知数，故需要至少9组数据。采用1000Hz频率进行采集是为了满足本实施例中光纤陀螺出厂设置的采集频率，以免造成数值上的线性误差。在转台转动时，需要同时改变三个光纤陀螺的敏感轴方向，目的是为了改变方程组的三个输入量，否则会导致方程组存在重复输入。并且每次转动后应先等待5s后进行采集，因为光纤陀螺在转动后会存在短时间的数值波动故需要等待光纤陀螺稳定后进行采集，并且采集时间应大于20s，目的是保证平均数据的稳定。

(3)光纤陀螺标定步骤：根据采集到的静态三轴角速率值，通过三轴角速率平方和等于地球自转角速度原则，进行三轴光纤陀螺的正交性标定计算；

在本实施例中，根据三轴角速率平方和等于地球自转角速度的原则，列出68组方程，通过数据拟合的形式，求出使得光纤陀螺三轴角速率平方和最接近地球自转角速度的角度误差最优解，计算光纤陀螺敏感轴的标定输出角速率，并根据所述最优解以及标定输出角速率进行光纤陀螺的标定计算。

其中不含零偏的输入角速率的计算表达式为

G

G

G

其中Gx、G

对于三轴角速率平方和等于地球自转角速度的原则，其具体表达式为：

ω

式中ω

其中数据拟合方法为最小二乘法，最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，其基本思路是

式中L

根据最小二乘法的原则，应用于光纤陀螺标定，其表达式为：

f(x)＝ω

通过这种方式即求出标定线性方程组的最小值解。

根据标定误差方程组，反解出正交情况下的角速率值，其计算表达式为：

通过此表达式即可求得正交坐标系下的三轴光纤陀螺角速度输出值。

如图7所示，通过校正后的三轴光纤陀螺角速度值的各位置下的静态平方和平均值从原始数据下的4.1836e-05降低到了4.1803e-05，方差从4.904e-05降低到了2.462e-05，在平均值变化较小的情况下，方差缩小到了原来的49.8％，可得通过此标定方法能够有效减少不正交带来的误差。

如图8所示，通过校正后的三轴光纤陀螺在寻北应用上有了较为明显的改善，真实值的寻北平均值为57.5384°，原始数据下的寻北平均值为58.1646°，校正后的寻北平均值为57.3968°，误差从0.6°缩小到0.1°，误差缩小了83.3％，提高了寻北精度，更接近于真实值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。