一种适用于变温环境的光学陀螺标度因数补偿方法

技术领域

本发明涉及一种适用于变温环境的光学陀螺标度因数补偿方法，属于惯性导航技术领域。

背景技术

光学陀螺主要包括光纤陀螺与激光陀螺，相比于经典的转子陀螺，具有角速度测量范围宽，耐过载冲击，启动时间短等显著优点，特别适用于捷联惯性导航系统。陀螺仪的参数指标包括标度因数，零偏与安装误差等。作为捷联惯导系统的核心仪表，光学陀螺参数稳定性与准确性直接决定了惯导系统的导航精度。特别是对于标度因数而言，全温范围内可变化几十ppm甚至更多，由此引起的仪表输出温度误差将严重制约惯导系统动静态导航精度的提高。

工程上的解决办法是对光学陀螺标度因数进行温度误差建模与补偿。它是利用温度试验获得标度因数温度误差与对应陀螺温度状态后，建立两者的相关性模型，以便根据温度传感器测量值实时预测温度误差大小，再在陀螺输出中进行扣除。对于这一关键惯性仪表误差源的建模与补偿，大量研究者进行了针对性研究。其中多项式拟合是最经典也最成功的方法。专利《Thermally compensating a rate gyro》在利用绝对温度对陀螺标度因数进行多项式建模过程中，由于陀螺温度无法直接测量，而采用本体固定件与其周围的温度差进行递推估计，从而考虑了传热过程中的时间延迟。随着信息技术的发展，特别是智能学习算法的成熟为温度误差建模提供了描述更复杂模型关系的工具以及模型环境适应性提高的可能。文献《基于GA-BP神经网络的光纤陀螺温度补偿》建立了基于GA-BP的神经网络的标度因数绝对温度补偿模型，使得优化模型的补偿精度得到了大幅提高。文献《基于RBF神经网络的数字闭环光纤陀螺温度误差补偿》则采用RBF神经网络模型对标度因数与零偏误差进行了联合补偿，并通过改进学习方法来防止网络过拟合。

目前，对于光学陀螺标度因数的建模与补偿多只考虑绝对温度的影响，很少将温度随时间的变化率(温变速率)纳入考虑范畴，同时相关研究较多关注算法研制，而对试验方法方面考虑欠缺，这使得模型在温度变化环境下的补偿精度难以得到保证，变温环境下的模型适应性不理想。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于变温环境的光学陀螺标度因数补偿方法，本方法在快速准确分离光学陀螺标度因数温度误差基础上，利用微分跟踪器将温度传感器测量得到的绝对温度转变为温变速率，并在标度因数误差建模过程中考虑温变速率因素的影响，再通过高适应性的温度试验方法，使标度因数补偿模型具备更好的变温环境适应性。本发明方法计算量小、简单易行、便于工程实现。

本发明的技术解决方案是：

本发明公开了一种适用于变温环境的光学陀螺标度因数补偿方法，包含以下步骤：

进行惯导陀螺预标定，获得基准温度与基准温度下的陀螺标定参数；

设定具有高环境适应性的温箱变温曲线剖面；

按照所述温箱变温曲线剖面对温箱进行调温，获得陀螺测量角速度在转台坐标系中的分量；

根据所述陀螺测量角速度在转台坐标系中的分量，得到温变环境下陀螺的标度因数值；

对陀螺绝对温度与温变速率进行平滑处理，使陀螺绝对温度和温变速率与变温全过程中所述标度因数值按时间对齐；

根据所述基准温度与基准温度下的陀螺标定参数，建立标度因数温度误差补偿模型；

根据所述标度因数温度误差补偿模型，实时计算标度因数温度误差；

根据所述基准温度下的陀螺参数和标度因数温度误差，对标度因数进行补偿，得到补偿后的标度因数值。

进一步地，在上述补偿方法中，根据所述基准温度下的陀螺参数标定，确定基准温度与基准温度下的陀螺标定参数，具体为：

各轴陀螺稳态温度

陀螺标度因数

零偏

安装误差

其中，

进一步地，在上述补偿方法中，所述具有高环境适应性的温箱变温曲线剖面，包括升温段、降温段、升温段与降温段的衔接部分和降温段与升温段的衔接部分；其中，

升温段，包括恒温段、升温段、恒温段、降温段和恒温段五个顺序部分，且升温段温升△H大于降温段温降△L；

降温段，包括恒温段、降温段、恒温段、升温段和恒温段五个顺序部分，且降温段温降△L大于升温段温升△H；

升温段与降温段的衔接部分，包括恒温段、升温段、恒温段、降温段、恒温段五个顺序部分，且升温段温升△H等于降温段温降△L；

降温段与升温段的衔接部分，包括恒温段、降温段、恒温段、升温段、恒温段五个顺序部分，且降温段温降△L等于升温段温升△H。

进一步地，在上述补偿方法中，所述按照所述温箱变温曲线剖面对温箱进行调温，获得陀螺测量角速度在转台坐标系中的分量，具体方法为：

控制转台绕陀螺轴不断进行连续正反转动，每组转动包括先正向转动N整周，再反向转动N整周，得到陀螺测量角速度在转台坐标系中的分量

T

v＝x、y或z

ε

其中，+号和-号分别表示正反转动；N

进一步地，在上述补偿方法中，所述温变环境下陀螺的标度因数值，具体为：

其中，k代表当前组数，k＝1,2,…,m，m为转动总组数；N代表每组转动周数；v＝x、y或z代表三轴陀螺；

进一步地，在上述补偿方法中，所述对陀螺绝对温度与温变速率进行平滑处理，使陀螺绝对温度和温变速率与变温全过程中所述标度因数值按时间对齐，具体为：

对变温全过程中获得的各轴陀螺绝对温度T

计算得到综合函数S(x

根据所述综合函数，递推求解第j个秒节点处温变速率值

将秒节点处绝对温度与温变速率再次进行平滑处理，得到平滑后的温度

其中v＝x,y,z；J代表位于第k组标定时间内的秒节点总数；

使处理结果

其中，p

进一步地，在上述补偿方法中，所述标度因数温度误差补偿模型，具体为：

其中，v＝x,y,z，eK

进一步地，在上述补偿方法中，所述误差模型系数，计算方法为：

X

e

X

其中，X

进一步地，在上述补偿方法中，所述对标度因数进行补偿，得到补偿后的标定因数值，具体为：

其中，v＝x,y,z，

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)本发明在光学陀螺标度因数温度误差建模中引入了温变速率模型项，可以使误差模型在变温环境下具备更好的补偿精度。

(2)本发明采用高环境适应性的温度试验方法，能够覆盖惯导变温工作过程中的各类使用环境，为陀螺标度因数温度误差建模提供高质量的建模数据集，使得模型对变温环境的适应性更佳。

(3)本发明采用温变环境下的转台正反旋转对陀螺标度因数进行估计，缩短了每组标度因数计算时间以及此过程中温度的变化，能够获得更为精确的标度因数与温度间对应关系。同时利用微分跟踪器计算温变速率可以更好地平滑微分噪声。在模型参数辨识中采用改进卡尔曼滤波方法，无需噪声统计特性，并实时利用量测信息，加快了算法收敛速度，能够给出高精度的参数辨识结果。

附图说明

图1是本发明温箱变温曲线剖面图；

图2是本发明补偿方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明专利做进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供一种适用于变温环境的光学陀螺标度因数补偿方法，包含以下步骤：

步骤1：首先进行惯导陀螺预标定，获得基准温度下的陀螺标度因数，零位和安装误差大小：将惯导放置于带温箱的转台中，转台已经过精确调整，使得惯组内各陀螺敏感轴能够精确指向天向。设定温箱温度为恒温20℃，并开启惯导至惯导内部温度达到热平衡，记录此时各轴陀螺稳态温度(由X，Y，Z三轴陀螺温度传感器获得)为

步骤2：设定温箱变温曲线剖面，方法为：

(a)温度曲线有多个连续的升温段与降温段组成；

(b)升温段的基本组成单元为升温段单元，包括恒温段、升温段、恒温段、降温段、恒温段五个顺序部分，且升温段温升△H>降温段温降△L；

(c)降温段的基本组成单元为降温段单元，包括恒温段、降温段、恒温段、升温段、恒温段五个顺序部分，且降温段温降△L>升温段温升△H；

(d)升温段与降温段的衔接部分称为升温-降温衔接单元，包括恒温段、升温段、恒温段、降温段、恒温段五个顺序部分，且升温段温升△H＝降温段温降△L；

(e)降温段与升温段的衔接部分称为降温-升温衔接单元，包括恒温段、降温段、恒温段、升温段、恒温段五个顺序部分，且降温段温降△L＝升温段温升△H。

一种具体实现方式参见图1，在考虑变温的同时，覆盖了工作环境温度范围-40℃～+60℃的情况。

步骤3：调整转台方位使X陀螺敏感轴朝天，并开启温箱与惯导，使温箱按照图1开始变温，惯导同步开始三轴陀螺脉冲与陀螺温度数据采集。在此过程中，控制转台绕X陀螺天向轴不断进行连续正反转动，每组转动包括先正向转动N整周，再反向转动N整周，为缩短转动时间，减小温度变化，可取N＝2(即2整周)。对于每组转动中的正向转动，陀螺测量角速度在转台坐标系中的分量

其中，“+”“-”分别表示正反转动；

其中n表示转动过程中陀螺脉冲个数；t

其中，k代表当前组数，并记

类似地，将Y，Z陀螺敏感轴依次朝天，并重复步骤3，可得变温全过程中Y，Z陀螺标度因数值K

步骤4：利用微分跟踪器求取陀螺温变速率，并对陀螺绝对温度与温变速率进行平滑处理，使之与变温全过程中标度因数值对齐。

(a)对图1变温全过程中获得的各轴陀螺绝对温度T

(b)以X轴陀螺为例，设定初值

其中，x

其中，p

同理可求Y，Z陀螺温变速率

(c)将秒节点处绝对温度与温变速率再次进行平滑处理，使处理结果与步骤3获得的标度因数值K

其中v＝x,y,z。J代表位于第k组标定时间内的秒节点总数。

步骤5：在获得K

(a)计算标度因数温度误差

(b)绝对温度与温变速率中心化

计算绝对温度与基准温度差值

取陀螺绝对温度上下界分别为

对陀螺温变速率进行中心化：

(c)建立考虑温变因素影响的陀螺标度因数误差模型

将式(11)改写为Y(k)＝H(k)X(k)，其中

Y

X

其中，X

e

X

式(12)中P

在获得模型系数后，按照式(11)实时计算标度因数温度误差，并对标度因数进行补偿，表示为：

其中，v＝x,y,z，

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。