CN106705997A - 一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，该方法首先通过粗寻北找到当前测试方位，再将测试方位转至45°或225°方位角附近进行一次精寻北，最后根据精寻北结果修正粗寻北结果，给出最终寻北结果。本发明给出最终寻北结果能够抑制光纤陀螺输出漂移引入的寻北误差，从而抑制光纤陀螺寻北启动误差。
Description
技术领域
本发明涉及惯性导航、制导及控制领域，尤其涉及一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法。
背景技术
陀螺寻北仪，是利用陀螺测定地球自转角速率在当地水平面投影方向(即真北方位)的一种惯性测量系统。陀螺寻北仪是一种精密惯性测量仪器，广泛用于为火炮、地对地导弹和地面雷达等机动武器系统提供方位参考。光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)是基于Sagnac效应的新型全固态陀螺仪，具有耐冲击、灵敏度高、寿命长、功耗低、集成可靠等优点，特别适用于寻北定向应用。
当前，国内外的光纤陀螺寻北方式主要有二位置法、四位置法等方法。光纤陀螺四位置寻北法因其寻北过程中不依赖任何外界信息，寻北结果不受地理维度、陀螺零偏及标度因数的影响，而被广泛采用。光纤陀螺寻北四位置法是分别在与被测方向相互正交和对称的位置上测量地球自转角速度分量，进而解算出被测方向的方位角。将光纤陀螺安置于转位机构上，保持光纤陀螺的敏感轴水平，寻北的初始位置记为位置1,并控制转位机构精确的转动90°、180°、270°,依次记为位置2、3、4。则光纤陀螺在四个位置处的理想输出Gi(i＝1,2,3,4)分别为:
其中：K为光纤陀螺标度因数；ωe为地球自转角速度；为测量点的地理纬度；θ为被测方向的方位角，即被测方向与真北方向的夹角；D0为光纤陀螺零偏。此时，容易推导出被测方向的方位角解算公式：
根据上述原理制成的光纤陀螺寻北仪，稳定阶段寻北精度较高。但是由于光纤陀螺上电启动时，其内部器件自身发热，使得内部温度分布不均，而光纤环圈作为光纤陀螺中最重要的敏感核心，易受温度变化与温度的影响，导致当输入角速率恒定时,光纤陀螺测量输出值一段时间内先呈现较大的趋势性的偏离，然后逐渐趋于稳定。正是光纤陀螺的这种启动特性造成了光纤陀螺寻北的启动误差，即光纤陀螺寻北仪上电后首次寻北误差偏大。目前，国内光纤陀螺稳定阶段四位置寻北精度可达0.04°-0.06°，但是包含光纤陀螺启动段的寻北精度则降至0.09°-0.1°。可见光纤陀螺寻北启动误差使得光纤陀螺寻北仪上电初期寻北精度急剧恶化，严重拉长光纤陀螺寻北仪的准备时间。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术不足，提供一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，本发明可以抑制光纤陀螺输出漂移引入的寻北误差，从而抑制光纤陀螺寻北启动误差。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，该方法首先通过粗寻北找到当前测试方位，再将测试方位转至45°或225°方位角附近进行一次精寻北，最后根据精寻北结果修正粗寻北结果，给出最终寻北结果。该方法包括以下步骤：
(1)粗寻北：在测试方向上进行一次四位置寻北，找出当前测试方向的粗略方位角θ1；
(2)精寻北：根据步骤1得到的粗略方位角θ1推算出45°或225°方向所在方位，再将测试方位转至45°方向或225°方向，进行一次四位置寻北，寻北结果为θ2；
(3)寻北结果修正：当步骤2中为将测试方位转至45°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-45°；当步骤2中为将测试方位转至225°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-225°。
通常寻北仪完成一次寻北时间为5分钟，虽然新的寻北编排方法增加了转位机构的转位次数，但是具体实施时通过合理分配粗寻和精寻时间，即可在不增加总寻北时间的情况下显著提高光纤陀螺启动阶段寻北精度。
本发明具有的有益效果是：本发明提出的新方法能够有效抑制光纤陀螺寻北仪启动误差，提高光纤陀螺圆周寻北精度。将此方法应用于工程实践，能在同等光纤陀螺性能基础上，有效提升光纤陀螺寻北仪的性能，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1是光纤陀螺寻北启动误差抑制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实验数据对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，其原理是本申请发明人实验发现：由于四位置寻北方法在光纤陀螺存在漂移时，其寻北精误差在方位角45°和225°左右其寻北误差是最小的。本发明充分利用该特性，将不同方位角上的寻北结果，转换到45°(或225°)方向进行寻北修正。
光纤陀螺寻北启动误差主要受光纤陀螺启动阶段性能不稳定影响。光纤陀螺上电启动时，其输出存在漂移。因此，光纤陀螺上电首次寻北时，寻北过程中四个位置处光纤陀螺输出应修正为G'i(i＝1,2,3,4)：
其中，εi(i＝1,2,3,4)分别为四个位置处光纤陀螺的漂移量。将G'i(i＝1,2,3,4)代入(2)式，可得光纤陀螺输出漂移下的寻北解算公式：
从式(4)可以看出，光纤陀螺的漂移量εi(i＝1,2,3,4)，使得寻北方位角解算公式中的分子、分母中分别引入了ε4-ε2和ε1-ε3。光纤陀螺寻北启动误差即由此引起。
考虑到光纤陀螺寻北四位置法中每个位置采样时间短，而光纤陀螺启动阶段输出漂移持续时间相对较长。为便于分析，可将此时光纤陀螺漂移表现形式可以近似看作线性漂移。设光纤陀螺漂移率为k，每个位置的采样时间为T，忽略转位时间，则式(4)改写为：
令G4-G2＝A，G1-G3＝B，则在具有线性漂移下光纤陀螺寻北误差dθ可以表示为：
式(6)中，A、B取决于地理纬度以及测试方位角，而kT则取决于光纤陀螺漂移率和采样时间。可以看出光纤陀螺存在线性漂移时寻北误差主要与光纤陀螺漂移率、被测方位角以及测试点地理纬度相关。
进一步采用同一漂移率、同一为纬度下，分别在圆周内等间隔的方向上进行仿真分析寻北方位角对寻北精度的影响。光纤陀螺漂移率设置为0.18°/h进行圆周寻北仿真。仿真结果表明：当光纤陀螺存在线性漂移时，其寻北精度随寻北方位角变化而变化，在方位角45°和225°左右漂移造成的寻北误差最小，而在方位角135°和315°度左右漂移造成的寻北误差最大。
根据上述仿真结果，在光纤陀螺上电启动阶段，光纤陀螺寻北启动误差随光纤陀螺启动漂移率增大而降增加，而且寻北精度随着寻北方位角不同而发生变化。不同的光纤陀螺具有不同的启动漂移特性，选用启动特性好，启动漂移小的光纤陀螺固然可以提高寻北精度。但在现有的技术水平和制造工艺的基础下，要提光纤陀螺性能，往往需要高昂的代价，有的甚至不可能实现。
本发明在现有寻北方法基础上，充分利光纤陀螺启动漂移时，光纤陀螺寻北在方位角45°和225°左右漂移造成的寻北误差最小的特性，提出一种新的寻北编排方法和解算过程。本发明所述新的寻北编排方法将不同方位角上的寻北转换到45°(或225°)附近方向进行。先通过短时间寻北找到当前测试方位，再利用精密转位机构转至寻北误差较小的45°(或225°)附近进行长时间采样的精寻北。最后根据精寻北结果和转位角度，即可反推修正测试方位与北向夹角。
本发明的具体实施步骤程如下：
1、粗寻北：在测试方向上进行一次四位置寻北，找出当前测试方向的粗略方位角θ1；
2、精寻北：根据步骤1得到的粗略方位角θ1推算出45°或225°方向所在方位，再将测试方位转至45°方向或225°方向，进行一次四位置寻北，寻北结果为θ2；
3、寻北结果修正：当步骤2中为将测试方位转至45°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-45°；当步骤2中为将测试方位转至225°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-225°。
下面叙述本发明的一个实施例，从而进一步说明本发明的特点和效果。
本实施例中光纤陀螺精度为0.02°/h，精密转位机构转位精度为0.01°,利用45°方向精寻北机构进行修正。在圆周0-360°内取23个不同位置，在每个位置进行7次寻北。对同位置的7次寻北误差取均方根值，评价光纤陀螺的寻北重复精度。对所有161次寻北误差取均方根值，评价光纤陀螺的圆周寻北精度。使用同一只光纤陀螺，分别采用普通四位置寻北方法和本发明提出的方法，进行上述圆周寻北，评价精度。实验过程中，普通四位置寻北方法在四个位置的数据采样时间均为60s，本发明所述方法中粗寻北在四个位置采样时间均为6s，精寻北在四个位置采样时间均为50s，两种方法总寻北时间相当且小于5min。实验结果如下表1所示。
表1：光纤陀螺仪带启动寻北精度实验(单位：°)
由上表的圆周寻北精度数据可以看出，本发明提出的新方法能够有效抑制光纤陀螺寻启动阶段由陀螺漂移带来的北仪误差，提高光纤陀螺圆周寻北精度。将此方法应用于工程实践，能在同等光纤陀螺性能基础上，有效提升光纤陀螺寻北仪的性能，具有较高的工程应用价值。
Claims (2)
1.一种光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，其特征在于，该方法首先可以通过粗寻北找到当前测试方位，再根据粗寻北结果将测试方位转至45°或225°方位角附近进行一次精寻北，最后根据精寻北结果修正粗寻北结果，得到最终寻北结果。
2.根据权利要求1所述的光纤陀螺寻北启动误差抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)粗寻北：在测试方向上进行一次四位置寻北，找出当前测试方向的粗略方位角θ1。
(2)精寻北：根据步骤1得到的粗略方位角θ1推算出45°或225°方向所在方位，再将测试方位转至45°方向或225°方向，进行一次四位置寻北，寻北结果为θ2。
(3)寻北结果修正：当步骤2中为将测试方位转至45°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-45°；当步骤2中为将测试方位转至225°方向时，修正后的寻北结果为：θ＝θ2+θ1-225°。
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