CN111551164A - 速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法 - Google Patents

速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其中，包括：步骤一寻北仪在倾斜角度下进行东向寻北；步骤二寻北仪在倾斜角度下进行西向寻北；步骤三求取寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz；步骤四进行Z轴等效陀螺常值漂移补偿；利用补偿后的角速度进行初始对准等相关解算，消除航向效应误差。本发明一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，可对寻北仪的标度因数不对称误差和陀螺常值漂移误差进行等效补偿，从而消除航向误差效应，提高寻北仪的寻北精度。

Description

速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法
技术领域
本发明涉及导航技术，特别涉及一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法。
背景技术
陀螺寻北仪的寻北精度主要取决于陀螺仪的精度。具体来说，主要取决于陀螺仪的随机噪声大小，随机噪声大，则寻北精度差，随机噪声小，则寻北精度高。
速率偏频激光陀螺寻北仪，则是利用激光陀螺仪在速率偏频条件下，其随机噪声要明显小于抖动偏频条件下的特性，使激光陀螺仪在恒速偏频条件下进行寻北。
速率偏频激光陀螺寻北仪都安装有转位机构，转位机构可带动惯性测量单元绕寻北仪的某一个轴向旋转(一般为寻北仪的Z轴)。
为了更清晰的说明速率偏频激光陀螺仪的寻北流程，首先定义五个坐标系：(1)i系为惯性坐标系；(2)n系为导航坐标系，一般为当地的东北天坐标系；(3)b系为陀螺寻北仪坐标系；(4)r系为惯性台体坐标系；(5)s系为惯性测量单元坐标系。其中，当陀螺寻北仪处于水平条件下时，b系的X轴，Y轴处于水平状态，Z轴指向天向；r系的Z轴与b系Z轴重合，r系能由转位机构带动绕b系的Z轴自由转动，r系绕b系Z轴转动的角度可通过圆光栅编码器或旋转变压器等测角传感器测量出来；而s系与r系固联，且s系的三个坐标轴合成的矢量与r系的Z轴重合，且s系到r系的坐标转换矩阵为
Figure BDA0002510179330000021
一般来说，速率偏频激光陀螺寻北仪的寻北过程中，惯性测量单元绕b系的Z轴以恒定的角速率旋转(旋转角速率为30°/s～50°/s)，且激光陀螺仪的机械抖动处于关闭状态以降低激光陀螺仪的随机噪声。
速率偏频激光陀螺寻北仪的寻北解算流程一般如下：
(1)惯性测量单元测量出s系上角速率
Figure BDA0002510179330000022
和比力fs；
(2)将
Figure BDA0002510179330000023
和fs转换到r系上得到
Figure BDA0002510179330000024
和fr；
Figure BDA0002510179330000025
Figure BDA0002510179330000026
(3)利用
Figure BDA0002510179330000027
和fr在r系上进行初始对准等解算，解算出r系相对n系的坐标转换矩阵
Figure BDA0002510179330000028
(4)再通过测角传感器测量出r系相对b系转动角度ψ，计算出b系到r系的坐标转换矩阵：
Figure BDA0002510179330000029
(5)计算出b系到n系的坐标转换矩阵，也即姿态矩阵
Figure BDA00025101793300000210
(6)从
Figure BDA00025101793300000211
中解算出俯仰、横滚和航向角，进而完成寻北解算。
所谓航向效应误差，即寻北仪在处于不同航向时，输出的航向角与真实航向角存在偏差，且该偏差与寻北仪所处的航向有一定的关系，即在不同航向上，偏差大小不恒定。
一般来说，航向效应误差都是寻北仪在有倾角的条件下产生。这是因为激光陀螺仪的标度因数误差、安装误差等动态误差的存在，转位机构以较大角速度旋转会激励出Z轴向较大的角速度误差，在寻北仪水平条件下，该误差不会投影到东向，因此不会影响寻北结果，然而在有水平倾角的条件下，Z轴向的角速度误差会投影到东向，进而严重影响寻北精度。
因此，速率偏频激光陀螺寻北仪还会采用正反转的方式消除这些误差源。即首先转位机构带动惯性测量单元以恒定角速率正向转动，并计算出航向角
Figure BDA0002510179330000031
之后转位机构带动惯性测量单元以相同的角速率反向转动，再计算出航向角
Figure BDA0002510179330000032
最后将二者平均
Figure BDA0002510179330000033
即可得到速率偏频陀螺寻北仪的真实北向值
Figure BDA0002510179330000034
尽管速率偏频激光陀螺寻北仪会以正反转的方式进行寻北，这样可消除大部分航向效应误差源，进而降低航向效应误差，提高寻北精度。但是，只通过正反转方式，仍然有一些航向效应误差源难以被消除，如激光陀螺标度因数不对称误差和陀螺寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移，而对于高精度的寻北要求，这些误差源则是必须要考虑消除的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其中，包括：步骤一寻北仪在倾斜角度下进行东向寻北；安装固定好寻北仪后，调整转台使寻北仪指向东向，然后连续寻北至少a次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为
Figure BDA0002510179330000041
横滚角为
Figure BDA0002510179330000042
航向角为
Figure BDA0002510179330000043
其中，航向角北偏东为正，范围为0°～360°，寻北仪指北时航向角为0°；步骤二寻北仪在倾斜角度下进行西向寻北；转台的天向轴转动180°，再连续寻北至少b次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为
Figure BDA0002510179330000044
横滚角为
Figure BDA0002510179330000045
航向角为
Figure BDA0002510179330000046
步骤三求取寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz；步骤四进行Z轴等效陀螺常值漂移补偿；设惯性测量单元输出的角速度转换到r系上为
Figure BDA0002510179330000047
则r系的Z轴进行等效陀螺常值漂移的补偿方法为：
Figure BDA0002510179330000048
之后利用补偿后的角速度进行初始对准等相关解算，消除航向效应误差。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，步骤一中首先明确对转台的要求，转台角位置测量精度在3″以内，且转台调平精度在30″以内。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，步骤一中寻北仪固定在单轴转台上，则需要沿着寻北仪航向方向垫高，使其具有一定的俯仰角，俯仰角的大小视寻北仪工作的最大俯仰角而定，并调整寻北仪横滚角在1°以内，之后将寻北仪用压块等结构固定。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，步骤一中寻北仪固定在多轴转台，需要将寻北仪用压条或压块固定后，调整转台某一轴，使寻北仪具有和安装到单轴转台相同要求的俯仰角和横滚角。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，a＝b。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，a和b大于等于10。
根据本发明的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法的一实施例，其中，步骤三寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz求取过程包括：
εz＝εE/sin(θ)；
其中，
Figure BDA0002510179330000051
Figure BDA0002510179330000052
Figure BDA0002510179330000053
ωN＝ωiecosL；
ωie为地球自转角速率，L为当地的地理纬度，并且以上涉及到的角度运算单位都是弧度。
本发明一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，可对寻北仪的标度因数不对称误差和陀螺常值漂移误差进行等效补偿，从而消除航向误差效应，提高寻北仪的寻北精度。
附图说明
无
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
对于速率偏频激光陀螺寻北仪通过正反向连续旋转方案消除大部分误差源后，余下的误差源主要为寻北仪Z轴向标度因数不对称误差和Z轴向等效陀螺常值漂移，因此，要对速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差进行补偿，主要就是对这两项误差进行补偿，消除这两项误差对寻北结果的影响。
由于速率偏频激光陀螺仪在寻北过程中，寻北仪的转位机构以恒定的角速率带动惯性测量单元正反向转动，因此由标度因数不对称误差引起的Z轴向等效陀螺漂移也是恒定的，故可以将该项误差引起的角速度误差也等效成寻北仪Z轴向的陀螺常值漂移，一并进行补偿。
速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法如下：
第一步寻北仪在倾斜角度下进行东向寻北
首先明确对转台的要求。该补偿方法需要高精度的角位置转台，可单轴也可多轴，转台角位置测量精度在3″以内，且转台调平精度在30″以内。
寻北仪固定在转台上时，如固定在单轴转台上，则需要沿着寻北仪航向方向垫高，使其具有一定的俯仰角，俯仰角的大小视寻北仪工作的最大俯仰角而定(如要求寻北仪在俯仰角5°以内使用，则调整寻北仪俯仰角为5°)，并调整寻北仪横滚角在1°以内，之后将寻北仪用压块等结构固定。如采用多轴转台，则需要将寻北仪用压条或压块固定后，调整转台某一轴(一般为内环轴)，使寻北仪具有和安装到单轴转台相同要求的俯仰角和横滚角。
安装固定好寻北仪后，调整转台使寻北仪指向东向(不必精确地指向东向，与东向相差5′以内即可)，然后连续寻北至少10次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为
Figure BDA0002510179330000071
横滚角为
Figure BDA0002510179330000072
航向角为
Figure BDA0002510179330000073
其中，航向角北偏东为正，范围为0°～360°，寻北仪指北时航向角为0°；
第二步 寻北仪在倾斜角度下进行西向寻北
转台的天向轴转动180°，再连续寻北至少10次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为
Figure BDA0002510179330000074
横滚角为
Figure BDA0002510179330000075
航向角为
Figure BDA0002510179330000076
第三步寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移求取
寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz求取过程如下：
εz＝εE/sin(θ)
其中，
Figure BDA0002510179330000077
Figure BDA0002510179330000078
Figure BDA0002510179330000079
ωN＝ωiecosL
ωie为地球自转角速率，L为当地的地理纬度，并且以上涉及到的角度运算单位都是弧度(rad)。
第四步Z轴等效陀螺常值漂移补偿
由于r系的Z轴与寻北仪的Z轴相重合，因此寻北仪Z轴的等效陀螺常值漂移即为r系的Z轴的等效陀螺常值漂移，并且寻北仪的初始对准解算是在r系上进行的，因此只需将Z轴等效陀螺常值漂移补偿到r系的Z轴上即可。
设惯性测量单元输出的角速度转换到r系上为
Figure BDA0002510179330000081
Figure BDA0002510179330000082
则r系的Z轴进行等效陀螺常值漂移的补偿方法为
Figure BDA0002510179330000083
之后再利用补偿后的角速度进行初始对准等相关解算即可消除航向效应误差。
速率偏频激光陀螺寻北仪经过正反转连续旋转可消除大部分航向效应误差源，但仍有部分误差源影响寻北精度，这对于高精度寻北非常不利。本专利分析出残余的影响航向效应误差的两项误差源，即为陀螺标度因数不对称误差和Z轴等效陀螺常值漂移。并且利用速率偏频寻北过程中惯性测量单元匀速旋转的特性，将陀螺标度因数不对称误差引起的角速度误差也等效成Z轴向陀螺常值漂移，再通过在有倾角条件下的东向和西向两个位置的寻北，利用捷联惯导初始对准的等效东向陀螺漂移和寻北误差之间的关系，准确的将Z轴向陀螺常值漂移分离求取出来，并进行补偿。
本发明设计了一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差补偿方法，该方法可以进一步消除影响航向效应误差的误差源：标度因数不对称误差和Z轴向等效陀螺常值漂移，从而进一步提高速率偏频激光陀螺寻北仪的寻北精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，包括：
步骤一寻北仪在倾斜角度下进行东向寻北；
安装固定好寻北仪后，调整转台使寻北仪指向东向，然后连续寻北至少a次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为
Figure FDA0002510179320000011
横滚角为
Figure FDA0002510179320000012
航向角为
Figure FDA0002510179320000013
其中，航向角北偏东为正，范围为0°～360°，寻北仪指北时航向角为0°；
步骤二寻北仪在倾斜角度下进行西向寻北；
转台的天向轴转动180°，再连续寻北至少b次，记录每次寻北求得的输出的三个姿态角，并进行平均，记平均后的俯仰角为θ2，横滚角为
Figure FDA0002510179320000014
航向角为
Figure FDA0002510179320000015
步骤三求取寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz；
步骤四进行Z轴等效陀螺常值漂移补偿；
设惯性测量单元输出的角速度转换到r系上为
Figure FDA0002510179320000016
则r系的Z轴进行等效陀螺常值漂移的补偿方法为：
Figure FDA0002510179320000017
之后利用补偿后的角速度进行初始对准等相关解算，消除航向效应误差。
2.如权利要求1所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，步骤一中首先明确对转台的要求，转台角位置测量精度在3″以内，且转台调平精度在30″以内。
3.如权利要求1所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，步骤一中寻北仪固定在单轴转台上，则需要沿着寻北仪航向方向垫高，使其具有一定的俯仰角，俯仰角的大小视寻北仪工作的最大俯仰角而定，并调整寻北仪横滚角在1°以内，之后将寻北仪用压块等结构固定。
4.如权利要求1所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，步骤一中寻北仪固定在多轴转台，需要将寻北仪用压条或压块固定后，调整转台某一轴，使寻北仪具有和安装到单轴转台相同要求的俯仰角和横滚角。
5.如权利要求1所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，a＝b。
6.如权利要求5所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，a和b大于等于10。
7.如权利要求1所述的速率偏频激光陀螺寻北仪航向效应误差的补偿方法，其特征在于，步骤三寻北仪Z轴向等效陀螺常值漂移εz求取过程包括：
εz＝εE/sin(θ)；
其中，
Figure FDA0002510179320000021
Figure FDA0002510179320000031
Figure FDA0002510179320000032
ωN＝ωiecosL；
ωie为地球自转角速率，L为当地的地理纬度，并且以上涉及到的角度运算单位都是弧度。
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