冗余陀螺測量單元的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法設(shè)計(jì)

梁海波 梁 婕 孟 恭 許 昊 呂章剛

1. 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854 2. 宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854

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冗余陀螺測量單元的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法設(shè)計(jì)

梁海波1,2梁 婕1孟 恭1許 昊1呂章剛1

1. 北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854 2. 宇航智能控制技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100854

提出了采用Kalman濾波對冗余陀螺的常值誤差、標(biāo)度因數(shù)誤差和安裝誤差進(jìn)行估計(jì)的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法。采用小角度旋轉(zhuǎn)向量法對安裝誤差進(jìn)行建模，并設(shè)計(jì)了Kalman濾波器。在對濾波器的量測方程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用零空間擴(kuò)增法來改善濾波器中各陀螺誤差狀態(tài)量的可觀測性。通過仿真試驗(yàn)，表明該標(biāo)定方法對所有誤差狀態(tài)量估計(jì)的平均相對誤差均低于1%，從而證明了該方法的有效性。 關(guān)鍵詞 標(biāo)定；冗余陀螺；卡爾曼濾波；零空間擴(kuò)增

陀螺作為飛行器控制系統(tǒng)的重要儀表，其可靠性的高低直接關(guān)系到飛行器任務(wù)完成的質(zhì)量，在極端情況下陀螺的故障將導(dǎo)致飛行任務(wù)失敗。通常，可以通過陀螺冗余技術(shù)來提高其可靠性。目前，盡管三軸陀螺配置方式的標(biāo)定技術(shù)已趨于成熟[1-4]，但針對冗余配置的陀螺標(biāo)定技術(shù)的研究卻較少。其原因在于，隨著冗余陀螺數(shù)量的增加，以及配置方式的日趨復(fù)雜，分離陀螺參數(shù)的難度也隨之增加，且不同配置方式所采用的標(biāo)定方法通用性較差[5]。這里，將研究九陀螺冗余配置單元的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法，力求既能有效地分離誤差參數(shù)，又具有一定的通用性。

1 九陀螺冗余測量單元

九陀螺冗余測量單元本體坐標(biāo)系Oxyz與載體坐標(biāo)系Oxbybzb重合，如圖1所示，9個(gè)單軸陀螺按G1，G2，…，G9的順序編號。陀螺測量單元的配置方式為：正交陀螺(G1，G4，G7)的敏感軸分別與本體坐標(biāo)系Oxyz的各軸平行，然后以從本體坐標(biāo)系的原點(diǎn)出發(fā)并與3個(gè)坐標(biāo)軸的夾角相等的射線OO′為軸，旋轉(zhuǎn)40°得到的正交陀螺(G2，G5，G8)位置，再次旋轉(zhuǎn)40°得到的正交陀螺(G3，G6，G9)位置，9個(gè)陀螺恰好均勻分布在一個(gè)以O(shè)為頂點(diǎn)的圓錐體的錐面上。

圖1 九陀螺冗余配置方式

設(shè)載體角速度在本體坐標(biāo)系Oxyz的3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影為ω=[ωxωyωz]T，且9個(gè)陀螺的測量值為Z=[z1z2…z9]T。將各陀螺的測量噪聲考慮在內(nèi)，設(shè)其測量噪聲為ζ=[ζ1ζ2…ζ9]T，并有如下統(tǒng)計(jì)特性

E{ζ}=0,E{ζζT}=σ2I9

(1)

根據(jù)九陀螺的配置方式，通過幾何計(jì)算得到9個(gè)陀螺的測量方程為

Z=HX

(2)

利用最小二乘估計(jì)

(3)

2 基于Kalman濾波的標(biāo)定算法設(shè)計(jì)

2.1 冗余陀螺誤差定義

鑒于冗余配置的陀螺空間幾何關(guān)系比原始三軸配置方式復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的速率試驗(yàn)配合位置試驗(yàn)對陀螺進(jìn)行標(biāo)定的難度較大，且對轉(zhuǎn)臺(tái)的精度要求較高。因此，采用Kalman濾波對冗余陀螺的誤差參數(shù)進(jìn)行估計(jì)是相對簡單有效的方案。

為提高冗余陀螺測量單元的測量精度，需要對所有陀螺的輸出誤差模型進(jìn)行定義，依據(jù)誤差模型設(shè)計(jì)標(biāo)定算法，從而在陀螺標(biāo)稱參數(shù)的基礎(chǔ)上對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。這里，為了不失一般性，假設(shè)冗余陀螺測量單元由n個(gè)陀螺組成，針對每個(gè)陀螺主要考慮以下3類陀螺誤差項(xiàng)。

(1) 常值誤差

由于陀螺的真實(shí)零偏與標(biāo)稱零偏不一致而造成的測量誤差定義為常值誤差。由陀螺常值誤差引起的測量誤差為

Δmbi=bi

(4)

式中，bi為第i個(gè)陀螺的常值誤差。

(2) 標(biāo)度因數(shù)誤差

由于陀螺的真實(shí)標(biāo)度因數(shù)與標(biāo)稱標(biāo)度因數(shù)不一致而造成的測量誤差定義為標(biāo)度因數(shù)誤差。由標(biāo)度因數(shù)誤差引起的測量誤差為

(5)

(3) 安裝誤差

在冗余陀螺測量單元內(nèi)部，各陀螺在裝配時(shí)不可避免地會(huì)與陀螺設(shè)計(jì)位置之間存在安裝誤差，從而產(chǎn)生測量誤差。為此，可以針對每個(gè)陀螺的安裝誤差各采用2個(gè)參數(shù)δui和δvi加以描述，從而由第i個(gè)陀螺安裝誤差引起的測量誤差為

Δmci=piδui+qiδvi

(6)

式中，pi，qi分別為第i個(gè)陀螺安裝誤差角的系數(shù)，具體表達(dá)形式將在下文詳細(xì)推導(dǎo)。

2.2 冗余陀螺安裝誤差建模

冗余陀螺安裝誤差的建模在標(biāo)定算法的設(shè)計(jì)過程中起著舉足輕重的作用，模型的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到標(biāo)定算法的優(yōu)劣。這里，采用小角度旋轉(zhuǎn)向量來描述冗余陀螺的安裝誤差角。

(7)

(8)

(9)

圖2 采用小角度旋轉(zhuǎn)向量表示的安裝誤差

δi=δuiui-δvivi

(10)

(11)

考慮n個(gè)陀螺的情況，定義

(12)

簡寫為

ωg=WTωt-Cv(ωt)δu-Cu(ωt)δv

(13)

其中，δu=[δu1δu2…δun]T，δv=[δv1δv2…δvn]T。這樣，就建立了各陀螺安裝誤差角的數(shù)學(xué)模型。

2.3 濾波器系統(tǒng)方程設(shè)計(jì)

在冗余陀螺標(biāo)定濾波器的設(shè)計(jì)過程中，首先需要確定濾波器要估計(jì)的狀態(tài)變量。顯然，要估計(jì)的變量為常值誤差bi、標(biāo)度因數(shù)誤差ksi以及安裝誤差δui和δvi。這里為了更簡便地說明問題，只以一個(gè)陀螺的誤差系數(shù)為例進(jìn)行說明。在標(biāo)定過程中，可以認(rèn)為這些量是常數(shù)，即導(dǎo)數(shù)為0。所以，系統(tǒng)狀態(tài)方程可寫為

(14)

由式(14)所示的連續(xù)系統(tǒng)方程可知，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

(15)

考慮采樣周期為Ts，式(14)離散化后滿足如下線性系統(tǒng)方程和量測方程

(16)

其狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為

(17)

由此，確定了Kalman濾波器的系統(tǒng)方程。

2.4 濾波器量測方程設(shè)計(jì)

濾波器的量測方程反映的是轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速率、陀螺輸出角速率及狀態(tài)變量三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，下面對濾波器的量測方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)只考慮陀螺的標(biāo)度因數(shù)誤差ksi,常值誤差bi和隨機(jī)誤差ζi時(shí)，第i個(gè)陀螺的輸出角速率為

(18)

那么，n個(gè)陀螺的輸出角速率可以表示成如下形式

ωm=(I-Ks)ωg-B-ζ

(19)

其中，Ks=diag(k1k2…kn)，B=[b1b2…bn]T。

根據(jù)式(13)和(19)，將各陀螺的安裝誤差考慮在內(nèi)，陀螺測量值與轉(zhuǎn)臺(tái)輸入角速率之間的關(guān)系為

ωm=(I-Ks)[WTωt-Cv(ωt)δu-
Cu(ωt)δv]-B-ζ

(20)

由于陀螺測量誤差ksi，bi，δui和δvi都可以認(rèn)為是小量，忽略二階小量后，將式(20)化簡為

ωm=WTωt-Cv(ωt)δu-Cu(ωt)δv-
[WTωt]k-B-ζ

(21)

其中，[WTωt]=diag(WTωt)，為n×n矩陣；k=[k1k2…kn]T。為便于計(jì)算，將式(21)寫成如下形式

ωm=WTωt-(VΔu+UΔv+WKs)Tωt-B-ζ

(22)

其中，Δu=diag(δu1δu2…δun)，Δv=diag(δv1δv2…δvn)。

(23)

其中，G=WT。由于G列滿秩，存在N為G的左零空間正交基，且具備如下性質(zhì)[6]

(24)

則式(23)可以表示為

(25)

其中，E1=(GTG)-1GT(VΔu+UΔv+WKs)T，B1=(GTG)-1GTB，E2=NT(VΔu+UΔv+WKs)T，B2=NTB。

參照式(21)的形式，將式(25)寫成矩陣形式

(26)

其中，G*=(GTG)-1GT=(WWT)-1W

(27)

至此，便得到了經(jīng)過零空間擴(kuò)增后的標(biāo)定濾波器量測方程。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)定

針對九陀螺冗余配置方式，設(shè)九陀螺冗余測量單元標(biāo)定濾波器的狀態(tài)變量為

δv1…δv9]T，則滿足式(16)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為Ak=I36×36，觀測矩陣為

在標(biāo)定濾波器設(shè)計(jì)完成后，通過仿真標(biāo)定試驗(yàn)檢驗(yàn)濾波器對狀態(tài)量估計(jì)的精度和速度。這里，為了方便，將9個(gè)陀螺的誤差設(shè)置為相同的參數(shù)，具體詳見表1所示。

表1 標(biāo)定仿真參數(shù)

參照文獻(xiàn)[7-8]的方法，并結(jié)合以往標(biāo)定經(jīng)驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)臺(tái)中、內(nèi)、外框依次以均勻角速率轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案如圖3所示，轉(zhuǎn)臺(tái)三框角速率均取20(°)/s，標(biāo)定時(shí)間取600s。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行方式

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)更新量測方程，并利用Kalman濾波器將36個(gè)誤差參數(shù)估計(jì)出來。在標(biāo)定過程中，9個(gè)陀螺各自的測量值如圖4所示。

圖4 各陀螺的輸出角速率

通過600s的標(biāo)定試驗(yàn)，在450s后，9個(gè)陀螺各自的4個(gè)誤差參數(shù)均已收斂到給定值。受篇幅所限，圖5給出了1號陀螺各自誤差系數(shù)的估計(jì)結(jié)果.由圖可知，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行，雖然每個(gè)陀螺各自的誤差參數(shù)估計(jì)情況不盡相同，但均在仿真試驗(yàn)結(jié)束時(shí)收斂到真實(shí)值。圖中各狀態(tài)變量估計(jì)的±1σ誤差帶也反映出濾波器的估計(jì)性能，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各誤差參數(shù)估計(jì)的誤差帶均已趨于0，說明濾波器對各個(gè)誤差參數(shù)的估計(jì)精度非?？捎^。

需要說明的是，雖然標(biāo)定濾波器中各狀態(tài)變量的可觀測性取決于系統(tǒng)模型，與轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行方式無直接關(guān)聯(lián)，但通過對試驗(yàn)編排方式的設(shè)計(jì)，能夠有效地激勵(lì)各誤差參數(shù)的收斂，縮短標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)間。

圖5 1號陀螺的估計(jì)誤差

為了更為直觀地反映誤差參數(shù)的估計(jì)精度，引入平均相對誤差作為評估指標(biāo)[9]：

(28)

表2 標(biāo)定試驗(yàn)評估指標(biāo)

4 結(jié)束語

針對冗余陀螺測量單元的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法，建立了包括標(biāo)度因數(shù)誤差、常值誤差和安裝誤差的模型，設(shè)計(jì)了Kalman濾波器對各個(gè)誤差參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并采用零空間擴(kuò)增法來改善各狀態(tài)變量的可觀測度，仿真試驗(yàn)表明此標(biāo)定方法可行有效，且具備一定的通用性。

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Method of Laboratory Calibration for Redundant Gyroscope Unit

Liang Haibo1,2, Liang Jie1, Meng Gong1, Xu Hao1, Lv Zhanggang1

1. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China 2. National Key Laboratory of Science and Technology on Aerospace Intelligence Control, Beijing 100854, China

Torealizethelaboratorycalibrationforredundantgyroscopeunit,amethodbasedonKalmanfilteringispresented.Themisalignmentanglesofredundantgyroscopesaremodelledbysmallanglerotationvectormethod,andtheKalmanfilterofcalibrationisdesigned.Furthermore,amethodofzero-spaceamplificationisproposedtoimprovetheobservabilityofthefilterstateswhenthemeasurementequationsofthecalibrationfilteraredesigned.Bysimulationtest,itshowsthatallthestatescanbeestimatedaccuratelywiththeaverage-relative-errorpercentbylessthan1%,whichprovestheeffectivenessofthiscalibrationmethod.

Calibration;Redundantgyroscopes; Kalmanfiltering;Zero-spaceamplification

2014-06-04

梁海波(1984-)，男，天津人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)镸EMS慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航技術(shù)；梁 婕(1980-)，女，四川人，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電氣設(shè)計(jì)技術(shù)；孟 恭(1986-)，男，山西人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電氣設(shè)計(jì)技術(shù)；許 昊(1988-)，男，北京人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電氣設(shè)計(jì)技術(shù)；呂章剛(1986-)，男，山東人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)電氣設(shè)計(jì)技術(shù)。

V441

A

1006-3242(2016)01-0009-06