光纤陀螺测量系统标度因数标定方法范文

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【关键词】光纤陀螺；测量系统；标度因数；标定

1引言

光纤陀螺测量系统是指使用光纤陀螺作为角速度传感器的惯性测量系统，应用于运载器导航、飞行器姿态控制、大地测量、隧道定向以及土木工程结构形变测量等军事和民用领域[1]。光纤陀螺标度因数是光纤陀螺测量系统的关键参数，光纤陀螺输出的数字量除以标度因数后转换为角速度的测量值，因此标度因数的精度直接影响测量系统的应用精度[2]。光纤陀螺测量系统的标度因数常规标定方法主要有单速率法、多速率法和角增量法。由于光纤陀螺的标度因数非线性误差、转台速率波动和速率准确性误差的影响，这些方法均存在一定的标定误差，随着光纤陀螺精度的提升，抑制标定方法误差对提高测量系统应用精度的重要意义得到凸显[3]。针对标度因数标定问题，那永林等提出通过合理控制采样时间，对各输入速率点进行整圈采样，抵消地速分量的影响并降低转台速率波动的影响，可以更加准确地对陀螺标度因数进行测试[4]；李绪友等对使用转台角位置作为标定基准的角增量法和使用转台角速率作为标定基准的角速率法的标定精度进行了比对分析，提出角增量法比角速率法的标度因数标定精度高一个数量级[5]；以上研究成果已成为行业内基本公认的结论。近年来，针对光纤陀螺测量系统的标定问题，主要的研究集中在提高标定效率以及优化设备资源等方向[6-9，但未完全解决光纤陀螺测量系统的标度因数标定精度问题。本文对光纤陀螺测量系统的标度因数标定方法进行研究，在对现有方法进行分析的基础上，提出了一种遍历速率角度基准式标定方法（遍历角基法）并与常规标定方法进行了比对试验，结果表明，该方法可以有效的提高标度因数的标定精度，进而提高系统的应用性能。

2现有标定方法分析

光纤陀螺测量系统中通常包含三个相互正交安装的光纤陀螺，由于三个轴的标定过程相同，为简便起见，本文仅表述单个轴向的标定过程，并略去系统的安装、对轴等过程和安装误差的解耦计算方法。

2.1单速率法

单速率法标定也称为正反转法，具体步骤为：（1）使转台以角速率ω逆时针旋转，速率稳定后，记录t秒光纤陀螺数据均值Ff；（2）使转台以角速率ω顺时针旋转，速率稳定后，记录t秒光纤陀螺数据均值Fr。t的设置依据是：其中m为整数，以使t秒内陀螺转动的路径为整圈。标度因数K的计算方法为：单速率法操作简单，效率高，是光纤陀螺测量系统的基本标定方法，但只使用了一个角速率作为激励，光纤陀螺的标度因数非线性误差和转台的速率误差均对标定精度有影响，标定结果可能存在较大误差。

2.2多速率法

多速率法是在单速率法的基础上，结合《GJB2426-2004光纤陀螺仪测试方法》中的光纤陀螺标度因数测试方法设计的。具体而言，选择n个角速率，分别按单速率法进行标定，得到2n个光纤陀螺数据均值，再通过最小二乘法得到标度因数K[10]。多速率法与单速率法相比，增加了角速率的采样个数，但时间大幅加长，尤其是低速率点下t过长，总标定时间远大于单速率法的n倍，引入了长时间测试导致的陀螺零偏误差[4]，且依然受到转台速率波动误差的影响，整体标定效率大幅降低但精度提高有限。

2.3角增量法

角增量法与速率法的本质区别是使用转台的角位置而非角速率作为标定基准设计标定方法。由于转台的角位置精度远高于角速率精度，这种方法将大幅提高标定精度，相关原理在相关文献中已有详细阐述[5]。具体步骤为：（1）开始记录光纤陀螺数据，使转台以角速率ω逆时针旋转m个整圈，回到开始旋转位置，停止记录数据，并计算整个过程的光纤陀螺数据累加和Ff；（2）开始记录光纤陀螺数据，使转台以角速率ω顺时针旋转m个整圈，回到开始旋转位置，停止记录数据，并计算整个过程的光纤陀螺数据累加和Fr。标度因数K的计算方法为：角增量法可以消除转台速率误差对标定的影响，但在实际实施过程中，角速率ω的选择问题依然存在，若使用单一速率，受到光纤陀螺标度因数非线性误差的影响，标定精度不高，若使用多个速率，标定效率则会大幅降低。

3遍历速率角度基准式标定方法设计

通过对常规标定方法的分析，可以说明，若要同时提高标度因数标定效率和精度，需要做到的是：（1）以转台角位置作为标定基准；（2）在不显著增加测试时间的基础上，选择尽可能多的角速率输入点。以此为设计思路，本文提出了一种遍历速率角度基准式标定方法，简称为遍历角基法，具体为：（1）开始记录光纤陀螺数据，使转台以角加速率α匀加速到逆时针角速率ω，再以角加速率α匀减速到静止，并回到开始旋转位置，整个过程共旋转m个整圈，停止记录数据，并计算整个过程的光纤陀螺数据累加和Ff；（2）开始记录光纤陀螺数据，使转台以角加速度α匀加速到顺时针角速率ω，再以角加速率α匀减速到静止，并回到开始旋转位置，整个过程共旋转m个整圈，停止记录数据，并计算整个过程的光纤陀螺数据累加和Fr。角速率ω是光纤陀螺的最大测量角速率，通过改变角加速度α可以控制标定时间。标度因数K的计算方法同公式（3）。标定过程中，转台角速率和时间的关系如图1所示。可以看出，在整个标定过程中，陀螺的输入角速率经历了从静止到最大测量角速率的遍历过程，且整体测试时间可控。这种遍历式标定方法实现了本节开始时提到的设计思路，既不降低标定效率，又提高了标定精度。

4标定和验证试验

为验证各种标定方法的标定精度，进行了如下试验。首先，利用三轴速率转台，分别使用单速率法、多速率法、角增量法和遍历角基法对组成光纤陀螺测量系统的各轴光纤陀螺的标度因数进行了标定。其中，单速率法和角增量法的角速率为20°/s；多速率法的角速率为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个速率点；遍历角基法的最大角速率为120°/s，转台角加速度为1°/s2。光纤陀螺测量系统标定试验装置如图2所示，各种方法的单轴标定采样时间如表1所示。对各种标定方法的结果进行比较，以遍历角基法标定得到的标度因数作为基准值，计算其他方法标定的标度因数值的差异，具体数据见表2。可以看出，不同的标定方法得到的各轴陀螺的标度因数值差异较大，这说明不同方法的标定精度存在较大差别。为验证标度因数的标定精度，设计了动态验证试验。即在特定转动条件下，采集光纤陀螺的输出数据及转台位置信息，计算光纤陀螺输出值的积分角度与转台实际转动角度值之间的差值，即动态积分角度误差，由于积分角度与标度因数直接相关，同一转动过程，使用不同的标度因数将得到不同的动态积分角度误差，误差最小的即为标定精度最优。图3为动态验证试验的速率曲线，验证试验结果见表3。试验结果表明，遍历速率角度基准法标定的标度因数更为准确，实际应用精度比单速率法高一个数量级，与其他方法相比也有很大精度提升。

5结论

本文对现有光纤陀螺测量系统标度因数标定方法的不足进行了分析，并提出了一种新的标定方法：遍历角基法。该方法的标定过程中，陀螺的角速率输入为从一个静止到最大输入角速度的遍历过程，可以通过改变角加速度控制整体测试时间，起到了提高标定精度和保证标定效率的效果。试验结果表明，该方法的标定误差比传统标定方法降低一个数量级，可以有效提高光纤陀螺测量系统的应用精度，有很好的工程应用推广价值。

参考文献

[1]郭云鹏,缪立军,舒晓武.三轴斜置一体化光纤陀螺测试技术研究[J].传感器与微系统,2017,36(12):22-24,27.

[2]孙平,肖凯,刘昆.光纤陀螺组件标定测试系统设计[J].传感器与微系统,2008,27(5):79-80,83.

[3]吴旭,孙枫,陈军.FOG双轴旋转六位置现场标定方法[J].传感器与微系统,2012,31(9):50-56.

[4]那永林,李丽坤,吴衍记,等.光纤陀螺标度因数的测试误差分析[J].中国惯性技术学报,2012,20(4):472-477.

[5]李绪友,张春梅,洪勇,等.光纤陀螺标度因数测试方法分析[J].仪器仪表学报,2016,37(10):2211-2217.

[6]陈宇中,张伟，胡永明.用单轴转台标定光纤陀螺捷联系统的方法[J].应用光学,2010,31(1):114-117.

[7]聂梦馨,吕品,赖际舟,等.一种光纤IMU的双轴非定向标定方法[J].电子测量技术,2014,37(8):123-128.

[8]童树兵,张志利,周召发,等.一种基于双轴位置转台的IMU快速标定方法[J].压电与声光,2016,38(5):815-818.

[9]刘百奇,房建成.光纤陀螺IMU的六位置旋转现场标定新方法[J].光电工程,2008,35(1):60-65.

[10]国防科学技术工业委员会.GJB2426A-2004.光纤陀螺仪测试方法[S].2004.

作者：马知瑶 周一览 单位：浙江同济科技职业学院