CN103411623B - 速率陀螺校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种速率陀螺校准方法，用于解决现有速率陀螺误差标定过程复杂的技术问题。技术方案是将载体分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转，由磁传感器的输出数据变化计算载体的旋转角速率，以此作为标定速率陀螺的基准角速率，分别校准速率陀螺的每个轴的标度因数和零偏误差。该方法无需速率转台，实现条件简单，适用于在线快速标定。经测试，陀螺静态精度能够达到十分钟漂移在2.5°以内，动态条件下，三个轴在输入角速率小于25°/s时，误差均能保持在±2°以内。

Description

速率陀螺校准方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺校准方法，特别是涉及一种速率陀螺校准方法。

背景技术

速率陀螺的校准主要是在速率转台上采用位置标定法或速率标定法来完成。文献“微小型捷联惯性测量单元标定及补偿方法，李建利，房建成，盛蔚等，宇航学报，2008，03:947-951”公开了一种微小型捷联惯性测量单元标定及补偿方法。该方法根据微小型惯性测量单元角速度及加速度通道误差数学模型设计“六方位正反速率”试验，利用三轴速率转台设置微型捷联惯性测量单元的X、Y、Z轴分别与地球坐标系的天、地重合等六方位，在每个方位输入不同的正负转速。将六方位每个速率下的正反旋转采集数据分别求平均，根据6个方位的系统误差方程，标定MEMS陀螺的零偏、标度因数、安装误差和与比力有关项等误差系数。该方法虽然误差辨识精度较高，但是依赖于三轴速率转台的速率试验，而且要采集不同正反速率下转台转动数周的六方位数据，试验过程复杂，标定时间冗长，求解线性方程计算量也比较大，不利于在线标定。

发明内容

为了克服现有速率陀螺误差标定过程复杂的不足，本发明提供一种速率陀螺校准方法。该方法将载体分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转，由磁传感器的输出数据变化计算载体的旋转角速率，以此作为标定速率陀螺的基准角速率，分别校准速率陀螺的每个轴的标度因数和零偏误差。该方法无需速率转台，实现条件简单，适用于在线快速标定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种速率陀螺校准方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、建立速率陀螺的误差模型为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xm}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ym}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zm}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{N}_x& 0& 0\\ 0& N_y& 0\\ 0& 0& N_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{\ωx}}\\ B_{\mathrm{\ωy}}\\ B_{\mathrm{\ωz}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，ω_xm、ω_ym、ω_zm分别为MEMS陀螺X、Y、Z轴输出角速度的测量值；ω_x、ω_y、ω_z分别为陀螺X、Y、Z轴的实际输入角速度值；N_x、N_y、N_z分别为陀螺X、Y、Z轴的标度因数；B_ωx、B_ωy、B_ωz分别为陀螺X、Y、Z轴的零偏误差。

步骤二、将安装有三轴磁传感器和三轴速率陀螺的航向姿态测量系统固定在水平的三轴无磁转台上，航姿测量系统的Z轴指天，X轴和Y轴与转台内框中轴线重合。

步骤三、固定航向角倾斜角γ=0°，载体绕X轴逆时针缓慢旋转。定义h_x、h_y、h_z分别为T时刻三轴磁传感器输出的地磁场矢量在X、Y、Z轴上的分量，h'_x、h'_y、h'_z为T+T_s时刻磁传感器的三轴输出数据。根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕X轴的旋转角度Δθ为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\arctan \left(\frac{h_y^{\′}{h}_z-h_y{h}_z^{\′}}{h_y{h}_y^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(2\right)$

选择磁传感器的数据更新频率为旋转时间差T_s，载体绕X轴旋转的基准角速率ω_x为：

${\mathrm{\ω}}_x=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{T_s}---\left(3\right)$

步骤四、固定航向角俯仰角θ=0°，载体绕Y轴逆时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕Y轴的旋转角度Δγ为：

$\mathrm{\Δ\γ}=\arctan \left(\frac{-h_x^{\′}{h}_z-h_x{h}_z^{\′}}{h_x{h}_x^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(4\right)$

载体绕Y轴旋转的基准角速率ω_y为：

${\mathrm{\ω}}_y=\frac{\mathrm{\Δ\γ}}{T_s}---\left(5\right)$

步骤五、固定俯仰角θ=0°，倾斜角γ=0°，载体绕Z轴顺时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内绕Z轴的旋转角度为：

载体绕Z轴旋转的基准角速率ω_z为：

步骤六、根据步骤三至步骤五得到的三个基准速率与陀螺输出的三轴角速率的测量值拟合（1）式，得到速率陀螺X、Y、Z轴的标度因数和零偏误差。

本发明的有益效果是：由于该方法将载体分别绕X轴、Y轴、Z轴旋转，由磁传感器的输出数据变化计算载体的旋转角速率，以此作为标定速率陀螺的基准角速率，分别校准速率陀螺的每个轴的标度因数和零偏误差。该方法无需速率转台，实现条件简单，适用于在线快速标定。经测试，陀螺静态精度能够达到十分钟漂移在2.5°以内，动态条件下，三个轴在输入角速率小于25°/s时，误差均能保持在±2°以内。

下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。

具体实施方式

本发明速率陀螺校准方法具体步骤如下：

以室温条件下，由三轴MEMS加速度计、三轴MEMS角速率陀螺和三轴微型磁通门传感器构成的微型航向姿态测量系统在3SK-150型无磁转台上进行的实验为例对本发明进行说明。方法步骤如下：

(1)建立速率陀螺的误差模型为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xm}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ym}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zm}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{N}_x& 0& 0\\ 0& N_y& 0\\ 0& 0& N_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{\ωx}}\\ B_{\mathrm{\ωy}}\\ B_{\mathrm{\ωz}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，ω_xm、ω_ym、ω_zm分别为MEMS陀螺X、Y、Z轴输出角速度的测量值；ω_x、ω_y、ω_z分别为X、Y、Z轴的实际输入角速度值；N_x、N_y、N_z分别为X、Y、Z轴的标度因数；B_ωx、B_ωy、B_ωz分别为陀螺X、Y、Z轴的零偏误差。

(2)将航向姿态系统固定在水平放置的转台上，系统的Z轴指天，X轴和Y轴与转台内框中轴线重合。

(3)固定航向角倾斜角γ=0°，载体绕X轴逆时针缓慢旋转。定义h_x、h_y、h_z分别为T时刻三轴磁传感器输出的地磁场矢量在X、Y、Z轴上的分量，h'_x、h'_y、h'_z为T+T_s时刻磁传感器输出的地磁场矢量在X、Y、Z轴上的分量。根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕X轴的旋转角度Δθ为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\arctan \left(\frac{h_y^{\′}{h}_z-h_y{h}_z^{\′}}{h_y{h}_y^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(2\right)$

因陀螺数据更新率大于磁传感器数据更新率，所以选择磁传感器的数据更新频率为旋转时间差T_s，载体绕X轴旋转的基准角速率ω_x为：

${\mathrm{\ω}}_x=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{T_s}---\left(3\right)$

（4）固定航向角俯仰角θ=0°，载体绕Y轴逆时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕Y轴的旋转角度Δγ为：

$\mathrm{\Δ\γ}=\arctan \left(\frac{-h_x^{\′}{h}_z-h_x{h}_z^{\′}}{h_x{h}_x^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(4\right)$

载体绕Y轴旋转的基准角速率ω_y为：

${\mathrm{\ω}}_y=\frac{\mathrm{\Δ\γ}}{T_s}---\left(5\right)$

（5）固定俯仰角θ=0°，倾斜角γ=0°，载体绕Z轴顺时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内绕Z轴的旋转角度为：

载体绕Z轴旋转的基准角速率ω_z为：

（6）利用递推最小二乘法拟合（1）式，得到速率陀螺X、Y、Z轴的标度因数误差和零偏误差分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_x=1.1910,B_{\mathrm{\ωx}}=0.0042\\ N_y=1.2450,B_{\mathrm{\ωy}}=0.0027\\ N_z=1.2198,B_{\mathrm{\ωz}}=0.0015\end{array}\right.---\left(8\right)$

将误差系数代入误差方程并验证，静态条件下，航姿测量系统测量的航向角误差由补偿前十分钟漂移一百多度减小到补偿后漂移在2.5°以内，动态条件下，三个轴在输入角速率小于25°/s时，误差均能保持在±2°以内。

Claims (1)

1.一种速率陀螺校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、建立速率陀螺的误差模型为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{xm}\\ {\mathrm{\ω}}_{ym}\\ {\mathrm{\ω}}_{zm}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{N}_x& 0& 0\\ 0& N_y& 0\\ 0& 0& N_z\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{\ω}x}\\ B_{\mathrm{\ω}y}\\ B_{\mathrm{\ω}z}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，ω_xm、ω_ym、ω_zm分别为速率陀螺X、Y、Z轴输出角速率的测量值；ω_x、ω_y、ω_z分别为速率陀螺X、Y、Z轴的实际输入角速率值，并以此作为标定速率陀螺的基准角速率；N_x、N_y、N_z分别为速率陀螺X、Y、Z轴的标度因数；B_ωx、B_ωy、B_ωz分别为速率陀螺X、Y、Z轴的零偏误差；

步骤二、将安装有三轴磁传感器和速率陀螺的航向姿态测量系统固定在水平的三轴无磁转台上，航向姿态测量系统的Z轴指天，X轴和Y轴分别与转台内框中轴线重合；

步骤三、固定航向角倾斜角γ＝0°，载体绕X轴逆时针缓慢旋转；定义h_x、h_y、h_z分别为T时刻三轴磁传感器输出的地磁场矢量在X、Y、Z轴上的分量，h'_x、h'_y、h'_z为T+T_s时刻三轴磁传感器的三轴输出数据；根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕X轴的旋转角度Δθ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{h_y^{\′}{h}_z-h_y{h}_z^{\′}}{h_y{h}_y^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(2\right)$

选择三轴磁传感器的数据更新频率为旋转时间差T_s，载体绕X轴旋转的基准角速率ω_x为：

${\mathrm{\ω}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}}{T_s}---\left(3\right)$

步骤四、固定航向角俯仰角θ＝0°，载体绕Y轴逆时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内载体绕Y轴的旋转角度Δγ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ}=arctan\left(\frac{-h_x^{\′}{h}_z+h_x{h}_z^{\′}}{h_x{h}_x^{\′}+h_z{h}_z^{\′}}\right)---\left(4\right)$

载体绕Y轴旋转的基准角速率ω_y为：

${\mathrm{\ω}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\γ}}{T_s}---\left(5\right)$

步骤五、固定俯仰角θ＝0°，倾斜角γ＝0°，载体绕Z轴顺时针缓慢旋转，根据坐标旋转公式，求得T_s时间内绕Z轴的旋转角度为：

载体绕Z轴旋转的基准角速率ω_z为：

步骤六、根据步骤三至步骤五得到的三个基准角速率与速率陀螺输出的三轴角速率的测量值拟合(1)式，得到速率陀螺X、Y、Z轴的标度因数和零偏误差。