專利名稱：一種激光陀螺慣性測量單元的溫度標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精確標定激光陀螺慣性測量單元(Laser GyroInertialMeasurement Unit, LIMU)溫度誤差系數(shù)的方法，可用于激光陀螺慣性測量單元的溫度標定。
背景技術(shù)：
激光陀螺作為慣性導航的理想器件，具有啟動時間短、動態(tài)范圍大、可靠性高、壽命長、數(shù)字式輸出等特點。近年來，激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)已大量成功運用于航空、航天、航海等多個領(lǐng)域。激光陀螺慣性測量單元LIMU是激光陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的核心部件，在許多應(yīng)用場合下，環(huán)境溫度劇烈變化，直接影響LIMU固有誤差系數(shù)的變化，特別是陀螺常值零偏和加速度計常值偏置，將隨溫度變化產(chǎn)生劇烈波動，從而影響了激光陀螺和加速度計輸出數(shù)據(jù)的精度，進一步影響了慣導系統(tǒng)的工作精度。因此，激光陀螺捷聯(lián)慣導在使用前必須通過溫度標定試驗確定出LIMU中陀螺常值零偏和加速度計常值偏置的溫度誤差系數(shù)，并在系統(tǒng)中進行補償。傳統(tǒng)的LIMU溫度標定方法主要是基于多溫度點的恒溫標定，該標定方法在多組不同溫度點的恒溫環(huán)境下采用動態(tài)旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)M位置相結(jié)合的標定方法，得到LIMU對應(yīng)不同溫度點的多組系統(tǒng)固有誤差系數(shù)，再將系統(tǒng)誤差與溫度進行線性擬合，得到相應(yīng)的溫度誤差系數(shù)。該方法存在以下兩個問題1、系統(tǒng)溫度誤差與系統(tǒng)固有誤差并未徹底分離，存在相互干擾；2、僅標定了多組恒定溫度環(huán)境下的誤差，未標定溫度動態(tài)變化環(huán)境下的誤差。因此，使用該方法標定出的LIMU系統(tǒng)固有誤差系數(shù)和溫度誤差系數(shù)精度有限，不適合于溫度快速、劇烈變化的工程應(yīng)用場合。實際工程應(yīng)用環(huán)境中，激光陀螺慣性測量單元從上電工作開始，陀螺和加速度計的自身溫度始終處于變化過程中，一方面受到變化的外界環(huán)境溫度的影響，一方面受到陀螺和加速度計自身工作發(fā)熱的影響，從而使得陀螺和加速度計自身由內(nèi)而外形成了復雜的溫度場，嚴重影響了激光陀螺和加速度計的測量精度，進一步影響了慣性測量單元的使用精度。同時，傳統(tǒng)LIMU溫度標定方法得到的是有限個數(shù)溫度點的恒定溫度環(huán)境下溫度誤差模型，需要通過分段線性擬合的方法近似得到連續(xù)模型，這給溫度誤差模型帶來了較大的近似誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種激光陀螺慣性測量單元的高精度溫度標定方法，該方法具有精度高且操作簡單的特點，大大提高了 LIMU在變溫環(huán)境下的使用精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種激光陀螺慣性測量單元的溫度標定方法，實現(xiàn)步驟如下(1)將激光陀螺慣性測量單元安裝在帶有溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定溫箱內(nèi)溫度為Tm為20V 30°C，在LIMU上電工作狀態(tài)下保溫6 8小時；
(2)利用三軸轉(zhuǎn)臺對LIMU進行動態(tài)旋轉(zhuǎn)標定試驗，轉(zhuǎn)動三軸轉(zhuǎn)臺依次將LIMU的X軸、Y軸、Z軸與轉(zhuǎn)臺的Z軸重合，其余兩軸處于水平面內(nèi)，在每一個位置使三軸轉(zhuǎn)臺以角速率ω。繞地理坐標系的ζ軸順時針、逆時針兩個方向各旋轉(zhuǎn)360°，記錄LIMU輸出數(shù)據(jù)；(3)利用所記錄的LIMU輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)LIMU誤差數(shù)學模型，利用順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)時陀螺常值誤差和加速度有關(guān)誤差相互抵消的原理，計算陀螺的標度因數(shù)和安裝誤差；(4)利用三軸轉(zhuǎn)臺對LIMU進行對稱M位置靜態(tài)標定試驗，旋轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺使LIMU的Χ、Υ、Ζ三個坐標軸與當?shù)氐乩碜鴺讼抵睾?，然后依次旋轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺，使LIMU的Χ、Υ、Ζ三個坐標軸的指向變化，旋轉(zhuǎn)M次就會得到M個不同位置，在每個位置上記錄3 5分鐘LIMU的輸出數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)各位置上LIMU的每個軸輸出數(shù)據(jù)與地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度在各個軸上投影分量之間的關(guān)系，在LIMU誤差數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用對稱位置誤差相消法，計算得到激光陀螺的常值漂移、加速度有關(guān)誤差項和加速度計標度因數(shù)、加速度計常值偏置、加速度計安裝誤差；(6)旋轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺使LIMU的X、Y、X三個坐標軸與當?shù)氐乩碜鴺讼抵睾?，設(shè)定高、低溫循環(huán)試驗參數(shù)，包括最高溫度Th為45°C 55°C，最低溫度!Y為_40°C _30°C，保溫時間tT為150 180分鐘，溫度變化速率ντ為1 ;TC /分鐘，設(shè)置溫箱的溫度按照以下規(guī)律進行變化①在Tm保溫tT ；②以-ντ的速率從Tm降溫至IY ；③在IY保溫tT ；④以ντ的速率從 Υ升溫至Th ；⑤在Th保溫tT ；⑥以-ντ的速率從Th降溫至Tm ；⑦在Tm保溫tT ；記錄LIMU輸出數(shù)據(jù)，同時記錄下激光陀螺和加速度計輸出的溫度數(shù)據(jù)；(7)根據(jù)LIMU記錄的輸出數(shù)據(jù)，計算出溫度循環(huán)試驗過程中與Tm恒溫環(huán)境下激光陀螺常值漂移和加速度計常值偏置所產(chǎn)生的偏差量，帶入激光陀螺常值漂移和加速度計常值偏置的溫度誤差模型中，與激光陀螺和加速度計輸出的溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合，計算得到X、Y、Z三個方向激光陀螺常值漂移的一次溫度系數(shù)qn和qi2 (i = x, y，ζ)、二次溫度系數(shù)qi3和qi4、溫度梯度系數(shù)qi5、溫度變化率系數(shù)qi6和qi7，三個方向加速度計常值偏置的一次溫度系數(shù)en、二次溫度系數(shù)ei2和溫度變化率系數(shù)ei3共30個系數(shù)；所述的溫度誤差模型包括激光陀螺常值漂移溫度誤差模型和加速度計常值偏置溫度誤差模型，分別如下
Dr = Ao + qJn + qJa + ^3 {Τη f + ^4 (^f+ qi5 (^"^) + qi6 _ T1^ ) + qi7 - T^ )sr = + ejr + ei2 (廠 f + e, - Τ”)其中，β；"為i(i = χ, y，ζ)方向激光陀螺在第m時刻的常值零偏，Ditl為i方向激光陀螺在Tm溫度時的常值零偏，(Γ和^為i方向激光陀螺在m時刻第1路和第2路溫度輸出值，1和1為i方向激光陀螺在m-1時刻第1路和第2路溫度輸出值，^iS i方向加速度計在m時刻的常值偏置，Si0為i方向加速度計在Tm溫度時的常值偏置，7； 和Τ； -1分別為i方向加速度計在m時刻和m-1時刻的溫度輸出值。本發(fā)明的原理是采用將系統(tǒng)固有誤差和溫度誤差分離標定的策略，通過在某溫度點下長期保溫的措施使LIMU達到整體熱平衡狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，通過動態(tài)旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)M位置相結(jié)合的LIMU標定方法精確獲取陀螺標度因數(shù)、陀螺常值零偏、加計標度因數(shù)、加計常值偏置等系統(tǒng)固有誤差系數(shù)，從而消除了高、低溫度變化對陀螺常值零偏和加計常值偏置造成的影響；再以該恒溫環(huán)境下的系統(tǒng)固有誤差系數(shù)為基礎(chǔ)，對LIMU進行高、低溫度循環(huán)標定試驗，通過環(huán)境溫度的連續(xù)變化，激勵出LIMU中陀螺常值零偏和加速度計常值偏置的動態(tài)溫度誤差，與陀螺和加速度計輸出的溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合，標定出陀螺常值漂移的一次溫度系數(shù)、二次溫度系數(shù)、溫度梯度系數(shù)和溫度變化率系數(shù)，加速度計常值偏置一次溫度系數(shù)、二次溫度系數(shù)和溫度變化率系數(shù)；該方法將恒溫下系統(tǒng)固有誤差與由溫度變化引起的誤差進行分離，提高了恒溫環(huán)境下LIMU系統(tǒng)固有誤差的標定精度，同時通過環(huán)境溫度動態(tài)變化激勵出系統(tǒng)溫度誤差，更為真實的模擬了 LIMU在實際工程中的使用環(huán)境，大大提高了 LIMU在變溫環(huán)境下的使用精度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明通過將LIMU在三軸轉(zhuǎn)臺溫箱中長期保溫的措施，將系統(tǒng)固有誤差和溫度誤差分離標定，提高了恒溫環(huán)境下LIMU系統(tǒng)固有誤差的標定精度，同時通過環(huán)境溫度的動態(tài)變化激勵出系統(tǒng)溫度誤差，以恒溫環(huán)境下的固有誤差系數(shù)為基準，標定出LIMU中激光陀螺常值零偏和加速度計常值偏置的溫度誤差系數(shù)；該方法所使用的誤差模型更加符合LIMU在實際工程中的使用環(huán)境，從而大大提高了 LIMU在變溫環(huán)境下的使用精度。


圖1為本發(fā)明的激光慣性測量單元溫度標定方法的流程圖。圖2為本發(fā)明的動態(tài)旋轉(zhuǎn)標定試驗方法示意圖。圖3為本發(fā)明的對稱M位置靜態(tài)標定試驗方法示意圖。圖4為本發(fā)明的溫箱溫度變化曲線示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明采用將系統(tǒng)固有誤差和溫度誤差分離標定的策略，通過在某溫度點下長期保溫的措施使LIMU達到整體熱平衡，采用動態(tài)旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)M位置相結(jié)合的標定方法精確標定出該溫度點下陀螺標度因數(shù)、陀螺常值漂移、加速度計標度因數(shù)和加速度計常值偏置等系統(tǒng)固有誤差系數(shù)，再利用該溫度點下LIMU的固有誤差系數(shù)，對LIMU進行高、低溫度循環(huán)試驗，進一步標定出陀螺常值漂移、加速度計常值偏置的溫度誤差系數(shù)，包括一次溫度系數(shù)、二次溫度系數(shù)、溫度梯度系數(shù)和溫度變化率系數(shù)共30個溫度相關(guān)系數(shù)。如圖1所示，本發(fā)明具體實施步驟如下1、將激光陀螺慣性測量單元安裝在帶有溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定溫箱內(nèi)溫度為Tm為20°C 30°C，在LIMU上電工作狀態(tài)下保溫6 8小時；2、利用轉(zhuǎn)臺對LIMU進行動態(tài)旋轉(zhuǎn)標定試驗，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺依次將LIMU的X軸、Y軸、Z軸與轉(zhuǎn)臺的Z軸重合，如圖2所示，其余兩軸處于水平面內(nèi)，在每一個位置使轉(zhuǎn)臺以角速率ω。繞地理坐標系的Z軸順時針、逆時針兩個方向各旋轉(zhuǎn)360°，記錄LIMU輸出數(shù)據(jù)；首先建立LIMU陀螺誤差模型方程如式(1)所示，
權(quán)利要求
1. 一種激光陀螺慣性測量單元的溫度標定方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下(1)將激光陀螺慣性測量單元(LIMU)安裝在帶有溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定溫箱內(nèi)溫度為Tm為20°C 30°C，在LIMU上電工作狀態(tài)下保溫6 8小時；(2)利用三軸轉(zhuǎn)臺對LIMU進行動態(tài)旋轉(zhuǎn)標定試驗，轉(zhuǎn)動三軸轉(zhuǎn)臺依次將LIMU的X軸、Y軸、Z軸與三軸轉(zhuǎn)臺的Z軸重合，其余兩軸處于水平面內(nèi)，在每一個位置使三軸轉(zhuǎn)臺以角速率ω。繞地理坐標系的Z軸順時針、逆時針兩個方向各旋轉(zhuǎn)360°，記錄LIMU輸出數(shù)據(jù)；(3)利用所記錄的LIMU輸出數(shù)據(jù)，根據(jù)LIMU誤差數(shù)學模型，利用順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)時陀螺常值誤差和加速度有關(guān)誤差相互抵消的原理，計算陀螺的標度因數(shù)和安裝誤差；(4)利用三軸轉(zhuǎn)臺對LIMU進行對稱M位置靜態(tài)標定試驗，旋轉(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺使LIMU的X、Y、Z三個坐標軸與當?shù)氐乩碜鴺讼抵睾希缓笠来涡D(zhuǎn)三軸轉(zhuǎn)臺，使LIMU的X、Y、Z三個坐標軸的指向變化，旋轉(zhuǎn)M次就會得到M個不同位置，在每個位置上記錄3 5分鐘LIMU的輸出數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)各位置上LIMU的每個軸輸出數(shù)據(jù)與地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度在各個軸上投影分量之間的關(guān)系，在LIMU誤差數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用對稱位置誤差相消法，計算得到激光陀螺的常值漂移、加速度有關(guān)誤差項和加速度計標度因數(shù)、加速度計常值偏置、加速度計安裝誤差；(6)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺使LIMU的xyz三個坐標軸與當?shù)氐乩碜鴺讼抵睾?，設(shè)定高、低溫循環(huán)試驗參數(shù)，包括最高溫度Ih為45°C 55°C，最低溫度 Υ為_40°C _30°C，保溫時間tT為150 180分鐘，溫度變化速率ντ為1 ;TC /分鐘，設(shè)置三軸轉(zhuǎn)臺的溫箱溫度按照以下規(guī)律進行變化①在 保溫tT ；②以-Vt的速率從Tm降溫至IY ；③在IY保溫tT ；④以Vt的速率從IY升溫至Th ；⑤在Th保溫tT ；⑥以-ντ的速率從Th降溫至Tm ；⑦在Tm保溫tT ；記錄LIMU輸出數(shù)據(jù)，同時記錄下激光陀螺和加速度計輸出的溫度數(shù)據(jù)；(7)根據(jù)LIMU記錄的輸出數(shù)據(jù)，計算出溫度循環(huán)試驗過程中與Tm恒溫環(huán)境下激光陀螺常值漂移和加速度計常值偏置所產(chǎn)生的偏差量，帶入激光陀螺常值漂移和加速度計常值偏置的溫度誤差模型中，與激光陀螺和加速度計輸出的溫度數(shù)據(jù)進行線性擬合，計算得到X、Y、Z三個方向激光陀螺常值漂移的一次溫度系數(shù)qn和qi2，二次溫度系數(shù)qi3和qi4、溫度梯度系數(shù)qi5、溫度變化率系數(shù)Cli6和qi7，三個方向加速度計常值偏置的一次溫度系數(shù)en、二次溫度系數(shù)ei2和溫度變化率系數(shù)ei3共30個系數(shù)，i=x, y，ζ。
全文摘要
一種精確標定激光陀螺慣性測量單元溫度誤差系數(shù)的方法，利用帶有溫箱的三軸轉(zhuǎn)臺，通過在某溫度點下長期保溫的措施使LIMU達到整體熱平衡，采用動態(tài)旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)24位置相結(jié)合的標定方法精確標定出該溫度點下陀螺標度因數(shù)、陀螺常值漂移、加速度計標度因數(shù)和加速度計常值偏置等系統(tǒng)固有誤差系數(shù)，再利用該溫度點下LIMU的固有誤差系數(shù)，對LIMU進行高、低溫度循環(huán)試驗，進一步標定出陀螺常值漂移、加速度計常值偏置的溫度誤差系數(shù)，包括一次溫度系數(shù)、二次溫度系數(shù)、溫度梯度系數(shù)和溫度變化率系數(shù)共30個溫度相關(guān)系數(shù)。本發(fā)明具有精度高且操作簡單的特點，大大提高了LIMU在變溫環(huán)境下的使用精度。
文檔編號G01C25/00GK102393210SQ201110242338
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者房建成, 李建利, 程駿超 申請人:北京航空航天大學