JP6613236B2 - 高精度な光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバジャイロ慣性測量装置分野に関し、特に、高精度な光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法に関する。
衛星は、先端技術発展の代表として、我が国の国防と経済建設において極めて重要な役割を果たしている。姿勢を決める精度は、衛星が情報を安定で有効的に取得する前提であり、衛星姿勢制御システムは、衛星姿勢精度を保障するための重要なシステムの一つであり、そして、慣性素子は、衛星姿勢制御システム中の極めて重要なセンサーであり、直接に姿勢制御システムの精度と性能に影響する。
光ファイバジャイロスコープは、全固体の慣性メーターであり、伝統電気機械メーターが持たない利点を有する。光ファイバジャイロスコープは、光学素子と電子素子で構成される閉ループシステムであり、二束の光の位相差を検出することで、自身の角速度を確定し、そのため、構造的には、光ファイバジャイロスコープは、完全に固体化のジャイロスコープであり、運動部品が全然ない。光ファイバジャイロスコープは、その原理と構造での利点を持つので、多くの応用分野において明確な優位性があり、特に、製品の信頼性と寿命の要求が厳しい宇宙機に対して、その主な特徴は、次にいくつの場面に表現される。（１）全固体：光ファイバジャイロスコープの部品は、すべて固体であり、抗真空、防振、及び耐衝撃の特性があり、（２）長寿命：光ファイバジャイロスコープに用いられる重要な光学素子は、全て１５年宇宙応用の長寿命要求を満足することができ、（３）高信頼性：光ファイバジャイロスコープは、構造設計が自由であり、生産プロセスが比較的に簡単であり、回路の冗長設計を便宜に行い、又は、冗長ジャイロスコープを用いて慣性測量システムを構成し、それによりシステムの信頼性を向上する。
従来、光ファイバジャイロ慣性測量装置に対する標定技術において、異なる試験項目を通して単独に取得し、その中に、零バイアスは、複数の位置で平均値を求めることで得られるものであり、スケール因数は、正負方向に複数の角速度で回転してフィッティングして得られるものであり、取付誤差は、正負方向にフルサークルに大きな角速度で回転して得られるものである。このような標定過程は、複数回の通電/停電操作が不可避的に生じ、且つ基準が一致しない問題が存在し、大量なヒューマンエラーが標定結果に導入されてしまう。また、上記の標定過程にかかる時間は、長く、標定時間は、数時間続く。従来の標定方法は、いずれもスタティック（スタティック位置とターンテーブルの等速運動を含み）な作業環境においてパラメータを計算するものであり、ダイナミック過程中メーターの誤差を考えていない。
本発明の解決しようとする技術問題は、快速で精確な高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法を提供し、従来技術に存在する問題としての、ヒューマンエラーが大きい問題と、過程時間が長い問題とを克服する。
本発明の技術方案は、
高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法であり、
光ファイバジャイロ慣性測量装置を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転し、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して初期位置に戻し、まとめて１８回の位置回転を行うステップＳ1と、
１８回の位置回転に初期位置を加えてまとめて１９つの位置になり、前記光ファイバジャイロ慣性測量装置本体座標系をｂとし、ジャイロスコープと加速度計の誤差モデル関係は、
であり、
その中に、
は、三つのジャイロスコープの測量誤差であり、
は、ジャイロスコープの零バイアスであり、
は、ジャイロスコープの結合係数であり、
は、ジャイロスコープの出力値であり、
は、三つの加速度計の測量誤差であり、
は、加速度計の零バイアスであり、
は、加速度計の結合係数であり、
は、加速度計の出力値であるステップＳ２と、
を含む。
高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法であり、
光ファイバジャイロ慣性測量装置を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転し、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して初期位置に戻し、まとめて１８回の位置回転を行うステップＳ1と、
１８回の位置回転に初期位置を加えてまとめて１９つの位置になり、前記光ファイバジャイロ慣性測量装置本体座標系をｂとし、ジャイロスコープと加速度計の誤差モデル関係は、
その中に、
を含む。
さらに、
ナビゲーション座標系をｎとし、簡略化した速度誤差方程式と姿勢誤差方程式は、
であり、
は、三つの軸の加速度誤差であり、
は、三つの軸の姿勢角速度誤差であり、
は、三つの軸の姿勢誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の出力であり、
は、ナビゲーション座標系での対地速度成分であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の測量誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおけるジャイロスコープの測量誤差であるステップＳ３と、
を含む。
ナビゲーション座標系をｎとし、簡略化した速度誤差方程式と姿勢誤差方程式は、
を含む。
さらに、初期アライメント過程と、位置回転過程と、スタティックナビゲーション過程との、三つの過程計算を含み、なお、
初期アライメント過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第０の位置（初期位置）において初期アライメントを行って得られる姿勢変換
は、
であり、
第ｍの位置で、ナビゲーション座標系における加速度計の測量誤差は、
であれば、速度誤差は、
のように計算され、
初期アライメント過程に、
であり、つまり、
であれば、
第ｍの位置でφの誤差角初値φｘ０、φｙ０、及びφｚ０を計算することができ、
位置回転過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第ｍの位置で初期アライメント完成時点をｔ０と表記し、ある軸oi軸(i=X,Y,Z)に回って第（ｍ+１）位置まで回転し、回転角速度は、
であり、回転の角度は、９０°であり、回転完成時点は、ｔｂであり、ジャイロスコープの定値ドリフトと
による影響を無視すれば、生じた姿勢誤差角
は、
に近似され、その中に、
の結果は、
のように示され、（ｔ０，ｔｂ）時間内に、生じた姿勢角度誤差は、
であり、
スタティックナビゲーション過程：位置回転過程において第（ｍ+１）位置まで回転した後に、回転完成時点は、ｔｂであり、スタティックナビゲーションが開始し、ナビゲーション終了時点は、ｔｅであり、
システム標定誤差方程式に対して、（ｔｂ，ｔｅ）時間帯を積分して、この時間帯内の速度誤差δＶｎと姿勢角φは、
のように取得され、
スタティックナビゲーション過程中速度誤差方程式を、
のような形に書き、その中に、
は、ｔｂ時点速度誤差値であり、
は、三軸速度積分後の誤差量を示し、
は、それぞれ三つの方向速度誤差一次項係数と二次項係数であり、
スタティックナビゲーション過程中姿勢誤差方程式を、
のような形に書き、その中に、
であり、
uは、姿勢誤差方程式一次項係数を示す。
初期アライメント過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第０の位置（初期位置）において初期アライメントを行って得られる姿勢変換
第ｍの位置で、ナビゲーション座標系における加速度計の測量誤差は、
初期アライメント過程に、
第ｍの位置でφの誤差角初値φｘ０、φｙ０、及びφｚ０を計算することができ、
位置回転過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第ｍの位置で初期アライメント完成時点をｔ０と表記し、ある軸oi軸(i=X,Y,Z)に回って第（ｍ+１）位置まで回転し、回転角速度は、
スタティックナビゲーション過程：位置回転過程において第（ｍ+１）位置まで回転した後に、回転完成時点は、ｔｂであり、スタティックナビゲーションが開始し、ナビゲーション終了時点は、ｔｅであり、
システム標定誤差方程式に対して、（ｔｂ，ｔｅ）時間帯を積分して、この時間帯内の速度誤差δＶｎと姿勢角φは、
スタティックナビゲーション過程中速度誤差方程式を、
スタティックナビゲーション過程中姿勢誤差方程式を、
uは、姿勢誤差方程式一次項係数を示す。
さらに、最小二乗法を用いて、Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Mxz、Myx、Myz、Mzx、Mzy、Dx、Dy、Dz、Kxx、Kyy、Kzz、Kyx、Kzx、Kzy、Bx、By、Bzの総計２１つのパラメータを識別する。
さらに、
の測量方程式は、
のように建立され、その中に、
状態ベクトルＸｉは、最小二乗法を用いて推定され、
のように計算される。
本発明は、従来技術と比べて、次の利点を有する。
（１）同じ基準条件において、通電/停電を繰り返す必要がなく、ただ光ファイバジャイロ慣性測量装置を一定の順序に従って回転すれば、パラメータの識別が完成することができ、通電を繰り返すことと、標定過程基準の不一致による影響とを避ける。
（２）本方法は、スタティックとダイナミック作業環境におけるメーターの誤差を十分に引き出し、且つパラメータ推定方法を用いて最適推定を行って、システムレベルの最適を実現する。
（３）他種の光ファイバジャイロ慣性測量装置の試験方法と比べて、この方法は、快速な標定方法であり、簡単で実行し易く、全標定過程は、半時間に過ぎなく、標定効率を向上し、人的・物的資源を節約する。
（４）他種の光ファイバジャイロ慣性測量装置の試験方法と比べて、この方法は、スケール因数と取付誤差を区別する必要がなく、取付誤差の計算による少量の計算誤差を避ける。
（１）同じ基準条件において、通電/停電を繰り返す必要がなく、ただ光ファイバジャイロ慣性測量装置を一定の順序に従って回転すれば、パラメータの識別が完成することができ、通電を繰り返すことと、標定過程基準の不一致による影響とを避ける。
（２）本方法は、スタティックとダイナミック作業環境におけるメーターの誤差を十分に引き出し、且つパラメータ推定方法を用いて最適推定を行って、システムレベルの最適を実現する。
（３）他種の光ファイバジャイロ慣性測量装置の試験方法と比べて、この方法は、快速な標定方法であり、簡単で実行し易く、全標定過程は、半時間に過ぎなく、標定効率を向上し、人的・物的資源を節約する。
（４）他種の光ファイバジャイロ慣性測量装置の試験方法と比べて、この方法は、スケール因数と取付誤差を区別する必要がなく、取付誤差の計算による少量の計算誤差を避ける。
従来技術の問題に対して、本発明は、高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法を提供し、この方法は、プロセス用機器を交換する必要がなく、且つ、同一作業環境において行われ、基準面の一致性を保障し、一つのみの試験項目を完成し、試験操作が簡単であり、この標定方法の試験時間は、短くてただ半時間程度がかかる。この方法は、スタティックとダイナミック作業環境におけるメーターの誤差を十分に引き出し、且つパラメータ推定方法を用いて最適推定を行い、他種の光ファイバジャイロ慣性測量装置の試験方法と比べて、この方法は、簡単で実行し易く、標定効率を向上し、人的・物的資源を節約する。
本発明の技術方案では、
高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置を六面体プロセス用機器に入れ、その中に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転し、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して初期位置に戻し、まとめて１８回の位置回転を行い、初期位置を加えて１９つの位置を含む。例えば、北天東、天南東、南地東、地北東、南地東、天南東、北天東、北西天、天西南、南西地、地西北、南西地、天西南、北西天、北地西、北東地、北地西、北西天、北天東の総計１９つの位置を取って、標定を行う。
高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置を六面体プロセス用機器に入れ、その中に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転し、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して初期位置に戻し、まとめて１８回の位置回転を行い、初期位置を加えて１９つの位置を含む。例えば、北天東、天南東、南地東、地北東、南地東、天南東、北天東、北西天、天西南、南西地、地西北、南西地、天西南、北西天、北地西、北東地、北地西、北西天、北天東の総計１９つの位置を取って、標定を行う。
上記の１９つの位置の間の関係に従って、各位置でのナビゲーション誤差方程式を使えば、ジャイロスコープと加速度計のスケール因数、結合誤差、及び零位などのパラメータを取得することができる。
具体的な実施の形態の一つは、次のように示される。
図１に示すように、光ファイバジャイロ慣性測量装置（慣性測量装置）標定方法は、次のステップを含む。
（１）高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°回転し、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°回転して初期位置に戻し、１８回の位置回転を行い、まとめて１９つの位置を含む。例えば、北天東、天南東、南地東、地北東、南地東、天南東、北天東、北西天、天西南、南西地、地西北、南西地、天西南、北西天、北地西、北東地、北地西、北西天、北天東の総計１９つの位置を取って、標定を行う。
（２）高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の本体座標系をbとし、ジャイロスコープと加速度計の誤差モデル関係は、
のように建立され、
その中に、
は、三つのジャイロスコープの測量誤差であり、
は、ジャイロスコープの零バイアスであり、
は、ジャイロスコープの結合係数であり、
は、ジャイロスコープの出力値であり、
は、三つの加速度計の測量誤差であり、
は、加速度計の零バイアスであり、
は、加速度計の結合係数であり、
は、加速度計の出力値である。
ナビゲーション座標系をｎとし、速度誤差方程式と姿勢誤差方程式は、
のように建立され、標定過程において
であることを考えると、
であることが分かり、関連加速度
の影響を無視して、上記の方程式は、
のように簡略化され、
その中に、
は、三つの軸の速度誤差であり、
は、三つの軸の姿勢誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の出力であり、
は、ナビゲーション座標系での対地速度成分の投影値であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の測量誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおけるジャイロスコープの測量誤差である。
その中に、
ナビゲーション座標系をｎとし、速度誤差方程式と姿勢誤差方程式は、
その中に、
（３）光ファイバジャイロ慣性測量装置が第０の位置（初期位置）で初期アライメントを行って得られる姿勢変換
は、
であり、第ｍの位置で、ナビゲーション座標系での加速度計の測量誤差は、
であり、
上記の式において
は、第ｍの相対初期位置の姿勢変換行列を示し、
速度誤差は、
のように計算され、初期アライメント過程に、
であれば、第ｍの位置での水平姿勢誤差角初値φｘ０とφｚ０を計算することができる。
上記の式において
速度誤差は、
（４）高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置が第ｍ（１≦ｍ≦１８）の位置で初期アライメント完成時点をｔ０と表記し、あるoi軸(i=X,Y,Z)に回って第（ｍ+１）位置まで回転し、回転角速度は、
であり、回転の角度は、９０°であり、回転完成時点は、ｔｂであり、回転過程時間が短くて高精度ジャイロスコープの定値ドリフトが小さい（一般、１０-３°/ｈのレベル）ことを考えて、ジャイロスコープの定値ドリフトと
による影響を無視すれば、生じた姿勢誤差角
は、
に近似され、上記の式において、
は、慣性座標系に対する地球自転角速度の成分を示すものであり、
は、慣性座標系に対して、ナビゲーション座標系におけるジャイロスコープ本体座標系の測量誤差であり、
は、第ｍの位置でのジャイロスコープの測量誤差を示すものである。その中に、
の結果は、
のように示され、
（ｔ０，ｔｂ）時間内に、生じた姿勢角度誤差は、
である。
（ｔ０，ｔｂ）時間内に、生じた姿勢角度誤差は、
（５）ステップ（４）において第（ｍ＋１）位置に回転した後に、回転完成時点は、ｔｂであり、スタティックナビゲーションが開始し、ナビゲーション終了時点は、ｔｅであり、システム標定誤差方程式に対して、（ｔｂ，ｔｅ）時間帯を積分して、この時間帯内の速度誤差
と姿勢誤差
は、
のように得られ、スタティックナビゲーション過程中速度誤差方程式を
のような形に書き、
その中に、
は、ｔｂ時点速度誤差値であり、
は、三軸速度積分後の誤差量を示し、
は、それぞれ三つの方向速度誤差一次項係数と二次項係数である。
スタティックナビゲーション過程中姿勢誤差方程式を、
のような形に書き、その中に、
であり、
ｕは、上記の方程式一次項誤差パラメータのみを示すものである。
の測量方程式は、
のように建立され、その中に、
状態ベクトルＸｉは、最小二乗法を用いて推定され、
のように計算される。
その中に、
スタティックナビゲーション過程中姿勢誤差方程式を、
ｕは、上記の方程式一次項誤差パラメータのみを示すものである。
（６）１８回の位置回転過程において、ステップ（５）で
相関方程式が得られ、まとめて１８つの方程式のセット、９０つの方程式が得られ、メーターに関する誤差パラメータのすべての測量方程式は、次のように建立される。
、状態ベクトルＸは、最小二乗法を利用して推定され、
のように計算される。
次に、表１は、本発明１９つの位置の詳細を示す。
次に、表１は、本発明１９つの位置の詳細を示す。
Claims (1)
- 高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法であり、
光ファイバジャイロ慣性測量装置を、oi軸(i=X,Y,Z)の三つの軸のそれぞれに、正方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して、再び逆方向に９０°、１８０°、２７０°三回回転して初期位置に戻し、まとめて１８回の位置回転を行うステップＳ１と、
１８回の位置回転に初期位置を加えて１９つの位置から得られたパラメータを、前記光ファイバジャイロ慣性測量装置本体座標系をｂとし、ジャイロスコープと加速度計の誤差モデル関係式が、
のように立てられ、
その中に、
は、三つのジャイロスコープの測量誤差であり、
は、ジャイロスコープの零バイアスであり、
は、ジャイロスコープの結合係数であり、
は、ジャイロスコープの出力値であり、
は、三つの加速度計の測量誤差であり、
は、加速度計の零バイアスであり、
は、加速度計の結合係数であり、
は、加速度計の出力値である、ステップＳ２と、
ナビゲーション座標系をｎとし、簡略化した速度誤差方程式と姿勢誤差方程式が、
のように立てられ、
その中に、
は、三つの軸の速度誤差であり、
は、三つの軸の姿勢誤差角であり、
は、三つの軸の姿勢誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の出力であり、
は、ナビゲーション座標系における対地速度成分の投影値であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおける加速度計の測量誤差であり、
は、ナビゲーション座標系ｎにおけるジャイロスコープの測量誤差であるステップＳ３と、
初期アライメント過程と、位置回転過程と、スタティックナビゲーション過程との、三つの過程計算を含み、なお、
初期アライメント過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第０の位置（初期位置）において初期アライメントを行って得られる姿勢変換
は、
であり、
第ｍの位置で、ナビゲーション座標系における加速度計の測量誤差は、
であれば、
速度誤差は、
のように計算され、
初期アライメント過程に、
であり、つまり、
であれば、
第ｍの位置でφの誤差角初値φｘ０、φｙ０、及びφｚ０を計算することができ、
位置回転過程：前記光ファイバジャイロ慣性測量装置が第ｍの位置で初期アライメント完成時点をｔ０と表記し、ある軸oi(i=X,Y,Z)を回って第（ｍ＋１）位置まで回転し、回転角速度は、
であり、回転の角度は、９０°であり、回転完成時点は、ｔｂであり、ジャイロスコープの定値ドリフトと
による影響を無視すれば、生じた姿勢誤差角
は、
に近似され、その中に、
の結果は、
のように示され、
（ｔ０，ｔｂ）時間内に、生じた姿勢角度誤差は、
であり、
スタティックナビゲーション過程：位置回転過程において第（ｍ＋１）位置まで回転した後に、回転完成時点は、ｔｂであり、スタティックナビゲーションが開始し、ナビゲーション終了時点は、ｔｅであり、
システム標定誤差方程式に対して、（ｔｂ，ｔｅ）時間帯を積分して、この時間帯内の速度誤差δＶｎと姿勢角φは、
のように取得され、スタティックナビゲーション過程中速度誤差方程式を、
のような形に書き、その中に、
は、ｔｂ時点速度誤差値であり、
は、三軸速度積分後の誤差量を示し、
は、それぞれ三つの方向速度誤差一次項係数と二次項係数であり、
スタティックナビゲーション過程中姿勢誤差方程式を、
のような形に書き、その中に、
、ｕは、姿勢誤差方程式一次項係数を示され、
最小二乗法を用いて、Mxx、Myy、Mzz、Mxy、Mxz、Myx、Myz、Mzx、Mzy、Dx、Dy、Dz、Kxx、Kyy、Kzz、Kyx、Kzx、Kzy、Bx、By、Bzの総計２１つのパラメータを識別し、
の測量方程式は、
のように立てられ、その中に、
状態ベクトルＸｉは、最小二乗法を用いて推定され、
のように計算され、
スケール因子、結合係数、零バイアスが出力されることを特徴とする高精度光ファイバジャイロ慣性測量装置の標定方法。
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