光纖陀螺測量系統標度因數標定方法范文

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【關鍵詞】光纖陀螺；測量系統；標度因數；標定

1引言

光纖陀螺測量系統是指使用光纖陀螺作為角速度傳感器的慣性測量系統，應用于運載器導航、飛行器姿態控制、大地測量、隧道定向以及土木工程結構形變測量等軍事和民用領域[1]。光纖陀螺標度因數是光纖陀螺測量系統的關鍵參數，光纖陀螺輸出的數字量除以標度因數后轉換為角速度的測量值，因此標度因數的精度直接影響測量系統的應用精度[2]。光纖陀螺測量系統的標度因數常規標定方法主要有單速率法、多速率法和角增量法。由于光纖陀螺的標度因數非線性誤差、轉臺速率波動和速率準確性誤差的影響，這些方法均存在一定的標定誤差，隨著光纖陀螺精度的提升，抑制標定方法誤差對提高測量系統應用精度的重要意義得到凸顯[3]。針對標度因數標定問題，那永林等提出通過合理控制采樣時間，對各輸入速率點進行整圈采樣，抵消地速分量的影響并降低轉臺速率波動的影響，可以更加準確地對陀螺標度因數進行測試[4]；李緒友等對使用轉臺角位置作為標定基準的角增量法和使用轉臺角速率作為標定基準的角速率法的標定精度進行了比對分析，提出角增量法比角速率法的標度因數標定精度高一個數量級[5]；以上研究成果已成為行業內基本公認的結論。近年來，針對光纖陀螺測量系統的標定問題，主要的研究集中在提高標定效率以及優化設備資源等方向[6-9，但未完全解決光纖陀螺測量系統的標度因數標定精度問題。本文對光纖陀螺測量系統的標度因數標定方法進行研究，在對現有方法進行分析的基礎上，提出了一種遍歷速率角度基準式標定方法（遍歷角基法）并與常規標定方法進行了比對試驗，結果表明，該方法可以有效的提高標度因數的標定精度，進而提高系統的應用性能。

2現有標定方法分析

光纖陀螺測量系統中通常包含三個相互正交安裝的光纖陀螺，由于三個軸的標定過程相同，為簡便起見，本文僅表述單個軸向的標定過程，并略去系統的安裝、對軸等過程和安裝誤差的解耦計算方法。

2.1單速率法

單速率法標定也稱為正反轉法，具體步驟為：（1）使轉臺以角速率ω逆時針旋轉，速率穩定后，記錄t秒光纖陀螺數據均值Ff；（2）使轉臺以角速率ω順時針旋轉，速率穩定后，記錄t秒光纖陀螺數據均值Fr。t的設置依據是：其中m為整數，以使t秒內陀螺轉動的路徑為整圈。標度因數K的計算方法為：單速率法操作簡單，效率高，是光纖陀螺測量系統的基本標定方法，但只使用了一個角速率作為激勵，光纖陀螺的標度因數非線性誤差和轉臺的速率誤差均對標定精度有影響，標定結果可能存在較大誤差。

2.2多速率法

多速率法是在單速率法的基礎上，結合《GJB2426-2004光纖陀螺儀測試方法》中的光纖陀螺標度因數測試方法設計的。具體而言，選擇n個角速率，分別按單速率法進行標定，得到2n個光纖陀螺數據均值，再通過最小二乘法得到標度因數K[10]。多速率法與單速率法相比，增加了角速率的采樣個數，但時間大幅加長，尤其是低速率點下t過長，總標定時間遠大于單速率法的n倍，引入了長時間測試導致的陀螺零偏誤差[4]，且依然受到轉臺速率波動誤差的影響，整體標定效率大幅降低但精度提高有限。

2.3角增量法

角增量法與速率法的本質區別是使用轉臺的角位置而非角速率作為標定基準設計標定方法。由于轉臺的角位置精度遠高于角速率精度，這種方法將大幅提高標定精度，相關原理在相關文獻中已有詳細闡述[5]。具體步驟為：（1）開始記錄光纖陀螺數據，使轉臺以角速率ω逆時針旋轉m個整圈，回到開始旋轉位置，停止記錄數據，并計算整個過程的光纖陀螺數據累加和Ff；（2）開始記錄光纖陀螺數據，使轉臺以角速率ω順時針旋轉m個整圈，回到開始旋轉位置，停止記錄數據，并計算整個過程的光纖陀螺數據累加和Fr。標度因數K的計算方法為：角增量法可以消除轉臺速率誤差對標定的影響，但在實際實施過程中，角速率ω的選擇問題依然存在，若使用單一速率，受到光纖陀螺標度因數非線性誤差的影響，標定精度不高，若使用多個速率，標定效率則會大幅降低。

3遍歷速率角度基準式標定方法設計

通過對常規標定方法的分析，可以說明，若要同時提高標度因數標定效率和精度，需要做到的是：（1）以轉臺角位置作為標定基準；（2）在不顯著增加測試時間的基礎上，選擇盡可能多的角速率輸入點。以此為設計思路，本文提出了一種遍歷速率角度基準式標定方法，簡稱為遍歷角基法，具體為：（1）開始記錄光纖陀螺數據，使轉臺以角加速率α勻加速到逆時針角速率ω，再以角加速率α勻減速到靜止，并回到開始旋轉位置，整個過程共旋轉m個整圈，停止記錄數據，并計算整個過程的光纖陀螺數據累加和Ff；（2）開始記錄光纖陀螺數據，使轉臺以角加速度α勻加速到順時針角速率ω，再以角加速率α勻減速到靜止，并回到開始旋轉位置，整個過程共旋轉m個整圈，停止記錄數據，并計算整個過程的光纖陀螺數據累加和Fr。角速率ω是光纖陀螺的最大測量角速率，通過改變角加速度α可以控制標定時間。標度因數K的計算方法同公式（3）。標定過程中，轉臺角速率和時間的關系如圖1所示。可以看出，在整個標定過程中，陀螺的輸入角速率經歷了從靜止到最大測量角速率的遍歷過程，且整體測試時間可控。這種遍歷式標定方法實現了本節開始時提到的設計思路，既不降低標定效率，又提高了標定精度。

4標定和驗證試驗

為驗證各種標定方法的標定精度，進行了如下試驗。首先，利用三軸速率轉臺，分別使用單速率法、多速率法、角增量法和遍歷角基法對組成光纖陀螺測量系統的各軸光纖陀螺的標度因數進行了標定。其中，單速率法和角增量法的角速率為20°/s；多速率法的角速率為0.5°/s、1°/s、1.5°/s、5°/s、8°/s、10°/s、20°/s、50°/s、60°/s、100°/s、120°/s等11個速率點；遍歷角基法的最大角速率為120°/s，轉臺角加速度為1°/s2。光纖陀螺測量系統標定試驗裝置如圖2所示，各種方法的單軸標定采樣時間如表1所示。對各種標定方法的結果進行比較，以遍歷角基法標定得到的標度因數作為基準值，計算其他方法標定的標度因數值的差異，具體數據見表2。可以看出，不同的標定方法得到的各軸陀螺的標度因數值差異較大，這說明不同方法的標定精度存在較大差別。為驗證標度因數的標定精度，設計了動態驗證試驗。即在特定轉動條件下，采集光纖陀螺的輸出數據及轉臺位置信息，計算光纖陀螺輸出值的積分角度與轉臺實際轉動角度值之間的差值，即動態積分角度誤差，由于積分角度與標度因數直接相關，同一轉動過程，使用不同的標度因數將得到不同的動態積分角度誤差，誤差最小的即為標定精度最優。圖3為動態驗證試驗的速率曲線，驗證試驗結果見表3。試驗結果表明，遍歷速率角度基準法標定的標度因數更為準確，實際應用精度比單速率法高一個數量級，與其他方法相比也有很大精度提升。

5結論

本文對現有光纖陀螺測量系統標度因數標定方法的不足進行了分析，并提出了一種新的標定方法：遍歷角基法。該方法的標定過程中，陀螺的角速率輸入為從一個靜止到最大輸入角速度的遍歷過程，可以通過改變角加速度控制整體測試時間，起到了提高標定精度和保證標定效率的效果。試驗結果表明，該方法的標定誤差比傳統標定方法降低一個數量級，可以有效提高光纖陀螺測量系統的應用精度，有很好的工程應用推廣價值。

參考文獻

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[9]劉百奇,房建成.光纖陀螺IMU的六位置旋轉現場標定新方法[J].光電工程,2008,35(1):60-65.

[10]國防科學技術工業委員會.GJB2426A-2004.光纖陀螺儀測試方法[S].2004.

作者：馬知瑤 周一覽 單位：浙江同濟科技職業學院