激光陀螺儀誤差分析與補(bǔ)償技術(shù)

1、激光陀螺儀的誤差分析與補(bǔ)償技術(shù),自動(dòng)化學(xué)院2120121027王宇辰,激光陀螺的主要誤差一些論文中激光陀螺的補(bǔ)償方法,激光陀螺儀的工作機(jī)理與剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀有著根本區(qū)別，因此二者的誤差源亦完全不同。激光陀螺儀不存在與線運(yùn)動(dòng)及角運(yùn)動(dòng)有關(guān)的誤差，這是一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。,激光陀螺的主要誤差源,閉鎖效應(yīng)：原因： 由于激光介質(zhì)的色散、模式牽引和反射鏡等光學(xué)元件對(duì)光束的后向散射等原因，有源環(huán)形腔內(nèi)正、反向行波的頻率接近到一

2、定程度時(shí)，將突然變成完全一樣，即存在一個(gè)可能達(dá)到的最小頻差X，一旦頻差小于X，就將變?yōu)?.因此當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速小到一定程度時(shí)，有源環(huán)形腔內(nèi)正、反向行波模對(duì)的頻率將趨于完全相同。上述現(xiàn)象即為激光陀螺進(jìn)入鎖區(qū)，此區(qū)域內(nèi)輸入轉(zhuǎn)速不被敏感?？s小鎖區(qū)、消除鎖區(qū)及采用各種偏頻方法克服鎖區(qū)的影響是激光陀螺最為關(guān)鍵的技術(shù)。,閉鎖效應(yīng)的消除方法： 機(jī)械抖動(dòng)偏頻，是繞激光陀螺儀的輸入軸人為地加上一個(gè)大的恒定角速度，該角速度遠(yuǎn)大于閉鎖閾值，使得

3、在輸入角速度為零時(shí)激光陀螺儀總有一個(gè)恒定的頻差輸出，這個(gè)頻差稱為偏頻。（二頻機(jī)抖、四頻差動(dòng)）或磁鏡偏置，是利用橫向克爾磁光效應(yīng)做成的一種反射鏡，由于磁鏡的作用，使兩束激光之間出現(xiàn)光程差而產(chǎn)生頻差輸出，這個(gè)頻差就是偏頻。法拉第效應(yīng)偏頻等。使得在大部分抖動(dòng)周期內(nèi)敏感的角速率超過(guò)閉鎖角速率。,激光陀螺根據(jù)克服閉鎖的措施不同可分為：機(jī)械抖動(dòng)偏頻激光陀螺、磁鏡偏頻激光陀螺、恒速偏頻激光陀螺、四頻差動(dòng)激光陀螺等。機(jī)械抖動(dòng)偏頻激光陀螺是目前獲得廣泛

4、應(yīng)用的一種陀螺。它利用交變的機(jī)械抖動(dòng)使陀螺大部分時(shí)間從鎖區(qū)偏置出來(lái)，從而大大減小閉鎖誤差。主要缺點(diǎn)為制造和拋光激光腔體的表面很困難，發(fā)射鏡的生產(chǎn)需要很高的技術(shù)，陀螺儀的價(jià)格很高。磁鏡偏頻激光陀螺也是利用交變的抖動(dòng)使陀螺從鎖區(qū)偏置出來(lái)。它是利用等效轉(zhuǎn)動(dòng)的磁光效應(yīng)進(jìn)行交變偏頻的，其精度比機(jī)抖陀螺差。,恒速偏頻激光陀螺是近年發(fā)展起來(lái)的一種 偏頻方案，它利用速度恒定度非常高的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)偏頻，其精度比機(jī)抖陀螺高，但其體積大，而且輸入速率范

5、圍低。四頻差動(dòng)激光陀螺的腔體中運(yùn)行著兩隊(duì)順、 逆方向的激光，分別構(gòu)成兩個(gè)單陀螺，對(duì)它們施加相同的法拉第效應(yīng)偏頻，使之遠(yuǎn)離鎖區(qū)。再把二者的拍頻相減，就得到陀螺的輸入角速率。這種陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，技術(shù)難度大。,零點(diǎn)漂移 陀螺曲線不過(guò)零點(diǎn)，即當(dāng)輸入角速率為零時(shí)，陀螺輸出卻不為零。零漂主要有朗繆爾流動(dòng)零漂、磁場(chǎng)引起的零漂、多模耦合效應(yīng)零漂、差分模推斥零漂、非激活介質(zhì)的流動(dòng)和電泳引起的零漂、鎖區(qū)不穩(wěn)定和順逆不相等帶來(lái)的零漂

6、等。標(biāo)度因數(shù)誤差 標(biāo)度因數(shù)誤差是指標(biāo)度因數(shù)的實(shí)際值相對(duì)標(biāo)稱值的變化。在同一角速度輸入之下，如果標(biāo)度因數(shù)變化，將引起輸出頻差的變化，從而導(dǎo)致激光陀螺儀的測(cè)量誤差。,《單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)對(duì)激光陀螺慢變漂移的抑制》 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度主要受器件誤差的影響，由慣性器件誤差造成的系統(tǒng)誤差隨時(shí)間積累，因此在長(zhǎng)時(shí)間高精度的應(yīng)用場(chǎng)合，必須降低慣性器件誤差對(duì)導(dǎo)航精度的影響。采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，可以在導(dǎo)航系統(tǒng)中將慣性器件誤

7、差調(diào)制成周期性變化的信號(hào)，從而抵消器件誤差對(duì)導(dǎo)航精度的影響，提高慣導(dǎo)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度。此外，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)還可提高系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)精度。國(guó)內(nèi)，袁保倫對(duì)光學(xué)陀螺旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的原理和比例因子誤差效應(yīng)進(jìn)行了研究，指出光學(xué)陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)更適合采用系統(tǒng)級(jí)旋轉(zhuǎn)方式。翁海娜對(duì)旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)調(diào)制,方案應(yīng)采用正反交替旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)引入新的誤差。 旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的本質(zhì)就是改變陀螺敏感軸方向，使依附于陀螺敏感軸上的誤差

8、方向在導(dǎo)航系中改變，使不同方向上的等效器件引起的系統(tǒng)導(dǎo)航誤差相互抵消，從而提高導(dǎo)航精度。 旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)必須具有以下幾個(gè)基本條件才能提高系統(tǒng)精度：1）旋轉(zhuǎn)或者翻轉(zhuǎn)不能增加慣性器件誤差；2）慣性器件的敏感軸方向在導(dǎo)航系中有規(guī)律的變化。,《激光陀螺溫度誤差補(bǔ)償方法》溫度誤差補(bǔ)償模型：𝐵= 𝐵 0 +?（T）+γ（?)+δ(ΔT） 式中B---激光陀螺瞬時(shí)零偏； 𝐵 0

9、---陀螺儀啟動(dòng)2min后的零偏值，代表了零偏的主值部分；?（T）---溫度變化對(duì)零偏的影響；γ（?）---溫度變化率對(duì)陀螺零偏的影響；δ（ΔT）---溫度梯度對(duì)陀螺零偏的影響。,多項(xiàng)式擬合方法：當(dāng)陀螺環(huán)境溫度變化率很小，溫度梯度值穩(wěn)定的情況下，溫補(bǔ)模型可以簡(jiǎn)化成自變量只含有溫度變化的多項(xiàng)式形式Bias= 𝐵 0 + 𝛼 0 + 𝛼 1 （T- 𝑇 0 ）+ &#

10、120572; 2 （𝑇? 𝑇 0 ） 2 + 𝛼 3 (𝑇? 𝑇 0 ) 3 𝛼 0 = 𝐴 00 + 𝐴 01 𝑇 0 + 𝐴 02 𝑇 0 2 ; ? 𝛼 3 = 𝐴

11、30 + 𝐴 31 𝑇 0 + 𝐴 32 𝑇 0 2 ;其中， 𝐴 𝑖𝑗 （i=1,2,3;j=1,2,3)稱為溫補(bǔ)系數(shù)的擬合常系數(shù)，由最小二乘法可以確定。,2.多元逐步線性回歸方法激光陀螺的溫度零偏誤差不僅受溫度變化的影響，溫度變化率和溫度梯度對(duì)零偏的作用在某些場(chǎng)合也是不可忽略的。當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化劇烈時(shí)，必須考

12、慮它們的影響。Bias= 𝐵 0 + 𝛼 0 + 𝛼 1 （T- 𝑇 10 ）+ 𝛼 2 （𝑇? 𝑇 10 ） 2 + 𝛼 3 𝑑 𝑇 1 𝑑𝑡 + 𝛼 4 (T- 𝑇 2 ) 𝛼 0 =

13、𝐴 00 + 𝐴 01 𝑇 10 + 𝐴 02 𝑇 10 2 ; ? 𝛼 4 = 𝐴 40 + 𝐴 41 𝑇 10 + 𝐴 42 𝑇 10 2 ;,3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合方法多項(xiàng)式擬合和多元逐步線性回歸的補(bǔ)償方法

14、都必須建立在某個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型之上，但實(shí)際上，這種準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是很難建立的，上面所用到的簡(jiǎn)化模型僅僅是實(shí)際問(wèn)題的一個(gè)最優(yōu)近似。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不依賴任何確定的數(shù)學(xué)模型，且理論上已證明，至少含有一個(gè)S型隱層再加上一個(gè)線性輸出層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠通過(guò)自學(xué)習(xí)逐步逼近任意有理函數(shù)，所以，建立溫度零偏誤差的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是進(jìn)一步提高補(bǔ)償精度的重要手段。,《船用激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中激光陀螺誤差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄑ芯俊芳す馔勇菡`差自動(dòng)補(bǔ)償?shù)囊话惴椒ㄊ遣?/p>

15、用激光陀螺測(cè)量軸換向法。例如，測(cè)量軸相互正交的三個(gè)激光陀螺繞測(cè)量軸XYZ中的一個(gè)軸（例如Z軸）穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)可以減少另外2個(gè)軸（例如X軸和Y軸）的激光陀螺的常值漂移，但并不能減少沿Z軸激光陀螺的漂移。理論和實(shí)踐表明：陀螺組件繞不與測(cè)量軸相重合的一般軸旋轉(zhuǎn)是可行的。這種方法稱為動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償。,《激光陀螺隨機(jī)漂移的數(shù)字濾波方法研究》激光陀螺的隨機(jī)漂移噪聲類似于白噪聲，它是影響激光陀螺精度的重要因素，采用數(shù)字濾波的方法可以減小隨機(jī)漂移對(duì)激光陀螺

16、精度的影響。常見(jiàn)‘AR（2）模型’、‘卡爾曼濾波’、‘小波分析’和‘小波包分析’這四種數(shù)字濾波方法，可以利用功率譜和Allan方差的分析方法對(duì)這幾種濾波效果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，對(duì)于激光陀螺的隨機(jī)漂移的濾除，基于AR模型的卡爾曼濾波法的效果最好，基本上消除了陀螺的隨機(jī)誤差，而小波分析法和小波包分析法只能在一定程度上消除高頻段的漂移。,參考文獻(xiàn)：《慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺儀理論》 郭秀中《高精度導(dǎo)航系統(tǒng)》 章燕申《激光捷聯(lián)慣導(dǎo)尋北技術(shù)研究》 黨建