本發(fā)明涉及慣性導航、制導及控制領域，尤其涉及一種光纖陀螺尋北啟動誤差抑制方法。

背景技術：

陀螺尋北儀，是利用陀螺測定地球自轉角速率在當地水平面投影方向(即真北方位)的一種慣性測量系統(tǒng)。陀螺尋北儀是一種精密慣性測量儀器，廣泛用于為火炮、地對地導彈和地面雷達等機動武器系統(tǒng)提供方位參考。光纖陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)是基于Sagnac效應的新型全固態(tài)陀螺儀，具有耐沖擊、靈敏度高、壽命長、功耗低、集成可靠等優(yōu)點，特別適用于尋北定向應用。

當前，國內外的光纖陀螺尋北方式主要有二位置法、四位置法等方法。光纖陀螺四位置尋北法因其尋北過程中不依賴任何外界信息，尋北結果不受地理維度、陀螺零偏及標度因數的影響，而被廣泛采用。光纖陀螺尋北四位置法是分別在與被測方向相互正交和對稱的位置上測量地球自轉角速度分量，進而解算出被測方向的方位角。將光纖陀螺安置于轉位機構上，保持光纖陀螺的敏感軸水平，尋北的初始位置記為位置1,并控制轉位機構精確的轉動90°、180°、270°,依次記為位置2、3、4。則光纖陀螺在四個位置處的理想輸出G_i(i＝1,2,3,4)分別為:

其中：K為光纖陀螺標度因數；ω_e為地球自轉角速度；為測量點的地理緯度；θ為被測方向的方位角，即被測方向與真北方向的夾角；D₀為光纖陀螺零偏。此時，容易推導出被測方向的方位角解算公式：

根據上述原理制成的光纖陀螺尋北儀，穩(wěn)定階段尋北精度較高。但是由于光纖陀螺上電啟動時，其內部器件自身發(fā)熱，使得內部溫度分布不均，而光纖環(huán)圈作為光纖陀螺中最重要的敏感核心，易受溫度變化與溫度的影響，導致當輸入角速率恒定時,光纖陀螺測量輸出值一段時間內先呈現較大的趨勢性的偏離，然后逐漸趨于穩(wěn)定。正是光纖陀螺的這種啟動特性造成了光纖陀螺尋北的啟動誤差，即光纖陀螺尋北儀上電后首次尋北誤差偏大。目前，國內光纖陀螺穩(wěn)定階段四位置尋北精度可達0.04°-0.06°，但是包含光纖陀螺啟動段的尋北精度則降至0.09°-0.1°?？梢姽饫w陀螺尋北啟動誤差使得光纖陀螺尋北儀上電初期尋北精度急劇惡化，嚴重拉長光纖陀螺尋北儀的準備時間。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現有技術不足，提供一種光纖陀螺尋北啟動誤差抑制方法，本發(fā)明可以抑制光纖陀螺輸出漂移引入的尋北誤差，從而抑制光纖陀螺尋北啟動誤差。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種光纖陀螺尋北啟動誤差抑制方法，該方法首先通過粗尋北找到當前測試方位，再將測試方位轉至45°或225°方位角附近進行一次精尋北，最后根據精尋北結果修正粗尋北結果，給出最終尋北結果。該方法包括以下步驟：

(1)粗尋北：在測試方向上進行一次四位置尋北，找出當前測試方向的粗略方位角θ₁；

(2)精尋北：根據步驟1得到的粗略方位角θ₁推算出45°或225°方向所在方位，再將測試方位轉至45°方向或225°方向，進行一次四位置尋北，尋北結果為θ₂；

(3)尋北結果修正：當步驟2中為將測試方位轉至45°方向時，修正后的尋北結果為：θ＝θ₂+θ₁-45°；當步驟2中為將測試方位轉至225°方向時，修正后的尋北結果為：θ＝θ₂+θ₁-225°。

通常尋北儀完成一次尋北時間為5分鐘，雖然新的尋北編排方法增加了轉位機構的轉位次數，但是具體實施時通過合理分配粗尋和精尋時間，即可在不增加總尋北時間的情況下顯著提高光纖陀螺啟動階段尋北精度。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明提出的新方法能夠有效抑制光纖陀螺尋北儀啟動誤差，提高光纖陀螺圓周尋北精度。將此方法應用于工程實踐，能在同等光纖陀螺性能基礎上，有效提升光纖陀螺尋北儀的性能，具有較高的工程應用價值。

附圖說明

圖1是光纖陀螺尋北啟動誤差抑制方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實驗數據對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明光纖陀螺尋北啟動誤差抑制方法，其原理是本申請發(fā)明人實驗發(fā)現：由于四位置尋北方法在光纖陀螺存在漂移時，其尋北精誤差在方位角45°和225°左右其尋北誤差是最小的。本發(fā)明充分利用該特性，將不同方位角上的尋北結果，轉換到45°(或225°)方向進行尋北修正。

光纖陀螺尋北啟動誤差主要受光纖陀螺啟動階段性能不穩(wěn)定影響。光纖陀螺上電啟動時，其輸出存在漂移。因此，光纖陀螺上電首次尋北時，尋北過程中四個位置處光纖陀螺輸出應修正為G'_i(i＝1,2,3,4)：

其中，ε_i(i＝1,2,3,4)分別為四個位置處光纖陀螺的漂移量。將G'_i(i＝1,2,3,4)代入(2)式，可得光纖陀螺輸出漂移下的尋北解算公式：

從式(4)可以看出，光纖陀螺的漂移量ε_i(i＝1,2,3,4)，使得尋北方位角解算公式中的分子、分母中分別引入了ε₄-ε₂和ε₁-ε₃。光纖陀螺尋北啟動誤差即由此引起。

考慮到光纖陀螺尋北四位置法中每個位置采樣時間短，而光纖陀螺啟動階段輸出漂移持續(xù)時間相對較長。為便于分析，可將此時光纖陀螺漂移表現形式可以近似看作線性漂移。設光纖陀螺漂移率為k，每個位置的采樣時間為T，忽略轉位時間，則式(4)改寫為：

令G₄-G₂＝A，G₁-G₃＝B，則在具有線性漂移下光纖陀螺尋北誤差dθ可以表示為：

式(6)中，A、B取決于地理緯度以及測試方位角，而kT則取決于光纖陀螺漂移率和采樣時間?？梢钥闯龉饫w陀螺存在線性漂移時尋北誤差主要與光纖陀螺漂移率、被測方位角以及測試點地理緯度相關。

進一步采用同一漂移率、同一為緯度下，分別在圓周內等間隔的方向上進行仿真分析尋北方位角對尋北精度的影響。光纖陀螺漂移率設置為0.18°/h進行圓周尋北仿真。仿真結果表明：當光纖陀螺存在線性漂移時，其尋北精度隨尋北方位角變化而變化，在方位角45°和225°左右漂移造成的尋北誤差最小，而在方位角135°和315°度左右漂移造成的尋北誤差最大。

根據上述仿真結果，在光纖陀螺上電啟動階段，光纖陀螺尋北啟動誤差隨光纖陀螺啟動漂移率增大而降增加，而且尋北精度隨著尋北方位角不同而發(fā)生變化。不同的光纖陀螺具有不同的啟動漂移特性，選用啟動特性好，啟動漂移小的光纖陀螺固然可以提高尋北精度。但在現有的技術水平和制造工藝的基礎下，要提光纖陀螺性能，往往需要高昂的代價，有的甚至不可能實現。

本發(fā)明在現有尋北方法基礎上，充分利光纖陀螺啟動漂移時，光纖陀螺尋北在方位角45°和225°左右漂移造成的尋北誤差最小的特性，提出一種新的尋北編排方法和解算過程。本發(fā)明所述新的尋北編排方法將不同方位角上的尋北轉換到45°(或225°)附近方向進行。先通過短時間尋北找到當前測試方位，再利用精密轉位機構轉至尋北誤差較小的45°(或225°)附近進行長時間采樣的精尋北。最后根據精尋北結果和轉位角度，即可反推修正測試方位與北向夾角。

本發(fā)明的具體實施步驟程如下：

1、粗尋北：在測試方向上進行一次四位置尋北，找出當前測試方向的粗略方位角θ₁；

2、精尋北：根據步驟1得到的粗略方位角θ₁推算出45°或225°方向所在方位，再將測試方位轉至45°方向或225°方向，進行一次四位置尋北，尋北結果為θ₂；

3、尋北結果修正：當步驟2中為將測試方位轉至45°方向時，修正后的尋北結果為：θ＝θ₂+θ₁-45°；當步驟2中為將測試方位轉至225°方向時，修正后的尋北結果為：θ＝θ₂+θ₁-225°。

下面敘述本發(fā)明的一個實施例，從而進一步說明本發(fā)明的特點和效果。

本實施例中光纖陀螺精度為0.02°/h，精密轉位機構轉位精度為0.01°,利用45°方向精尋北機構進行修正。在圓周0-360°內取23個不同位置，在每個位置進行7次尋北。對同位置的7次尋北誤差取均方根值，評價光纖陀螺的尋北重復精度。對所有161次尋北誤差取均方根值，評價光纖陀螺的圓周尋北精度。使用同一只光纖陀螺，分別采用普通四位置尋北方法和本發(fā)明提出的方法，進行上述圓周尋北，評價精度。實驗過程中，普通四位置尋北方法在四個位置的數據采樣時間均為60s，本發(fā)明所述方法中粗尋北在四個位置采樣時間均為6s，精尋北在四個位置采樣時間均為50s，兩種方法總尋北時間相當且小于5min。實驗結果如下表1所示。

表1：光纖陀螺儀帶啟動尋北精度實驗(單位：°)

由上表的圓周尋北精度數據可以看出，本發(fā)明提出的新方法能夠有效抑制光纖陀螺尋啟動階段由陀螺漂移帶來的北儀誤差，提高光纖陀螺圓周尋北精度。將此方法應用于工程實踐，能在同等光纖陀螺性能基礎上，有效提升光纖陀螺尋北儀的性能，具有較高的工程應用價值。