基于空間三軸激光陀螺的恒速偏頻尋北技術

胡奇林，李立新，吳亮華，張憶新，武曉峰

(1.北京自動化控制設備研究所，北京100074；2.中國航天科工三院，北京 100074；3.上海航天控制技術研究所，上海，200233)

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基于空間三軸激光陀螺的恒速偏頻尋北技術

胡奇林1，李立新2，吳亮華1，張憶新1，武曉峰3

(1.北京自動化控制設備研究所，北京100074；2.中國航天科工三院，北京 100074；3.上海航天控制技術研究所，上海，200233)

激光陀螺特有的閉鎖效應使得其在應用中必須采取偏頻去鎖的方法,速率偏頻技術可以有效降低激光陀螺隨機游走誤差,提高測量精度。基于空間三軸激光陀螺自身特有的三軸正交斜置特性,采用恒速偏頻方法,通過建立新的系統(tǒng)誤差方程,引入刻度系數(shù)誤差狀態(tài)量,采用卡爾曼濾波方法實現(xiàn)了系統(tǒng)的高精度尋北。這種初始對準方法對準速度快,對準精度也有較大提高,5min尋北精度能達到90″(3σ)。

高精度尋北;速率偏頻;刻度系數(shù)誤差;空間三軸激光陀螺

0 引言

激光陀螺因其性能穩(wěn)定、動態(tài)范圍寬、使用壽命長、啟動速度快等優(yōu)點成為近年來慣導設備應用的重點。激光陀螺存在一定的工作死區(qū)范圍,稱之為鎖區(qū)。鎖區(qū)的大小直接影響著激光陀螺的性能,所以縮小消除鎖區(qū)、克服鎖區(qū)的影響成為了研制和發(fā)展激光陀螺的關鍵技術。實際應用中常采用抖動偏頻技術與速率偏頻技術來克服鎖區(qū)影響。工程上通常采用機械抖動偏頻技術消除閉鎖,但機械抖動偏頻不能完全消除閉鎖效應帶來的影響,同時還增加了隨機游走誤差。理論研究表明,隨機游走噪聲水平決定了慣導系統(tǒng)的理論極限精度。激光陀螺隨機游走不僅會引起導航誤差,還會造成對準測漂誤差及方位對準誤差。因此,激光陀螺隨機游走噪聲的抑制技術是提高慣導尋北精度和快速性的關鍵。速率偏頻技術能夠使激光陀螺在大部分或全部時間內工作在鎖區(qū)外,相比機械抖動偏頻,可大幅減小隨機游走誤差,同時可實現(xiàn)旋轉軸垂直方向慣性儀表誤差的調制,從而提高大幅尋北精度。

1 高精度初始對準偏頻方案

1.1 速率偏頻的基本原理

抖動偏頻是給激光陀螺加一個機械抖動,使激光陀螺腔體繞陀螺敏感軸做小角度的周期振動,從陀螺輸出中扣除已知的抖動量即得陀螺的輸入角速率。抖動偏頻對安裝平臺有機械振動干擾,而頻繁通過鎖區(qū),存在隨機游走誤差。速率偏頻是在激光陀螺上加一個遠大于鎖區(qū)閾值的轉速,使激光陀螺一直處于線性工作區(qū)。速率偏頻包括正反向速率偏頻和單向恒速偏頻。正反向速率偏頻對偏頻臺正反換向性能和伺服控制系統(tǒng)要求嚴格。正反向速率偏頻和抖動偏頻都屬于交變偏頻,無法徹底消除過鎖區(qū)誤差。單向恒速偏頻以恒定速率關機抖轉動,使激光陀螺始終工作在遠離鎖區(qū)的線性段上,可以有效避免過鎖區(qū)問題。但恒速偏頻由于采用單方向恒定速率轉動,存在陀螺標度因數(shù)誤差,尋北時受陀螺標度因數(shù)誤差的影響較大。此時旋轉軸向陀螺刻度系數(shù)誤差成為了影響尋北精度的主要因素。

恒速偏頻技術需建立在陀螺刻度系數(shù)誤差小、刻度系數(shù)穩(wěn)定性和重復性好的基礎上。而激光陀螺具有刻度系數(shù)穩(wěn)定、重復性好的特點,目前國內的空間三軸激光陀螺精度達到0.005(°)/h,刻度系數(shù)穩(wěn)定性在1×10-6以內(0.7×10-6～0.9×10-6),已具備工程應用條件。

建立了基于恒速偏頻的18階卡爾曼濾波模型,其系統(tǒng)狀態(tài)變量為

δVn、δVu、δVe分別表示捷聯(lián)慣導系統(tǒng)北向、天向、東向的速度誤差;

δL、δh、δλ分別表示捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的緯度誤差、高度誤差、經度誤差;

φn、φu、φe分別表示捷聯(lián)慣導系統(tǒng)導航坐標系內北、天、東三個方向的失準角;

εx、εy、εz分別表示捷聯(lián)慣導系統(tǒng)載體坐標系內X、Y、Z三個方向的陀螺漂移;

δkgxx、δkgyy、δkgzz分別表示X、Y、Z陀螺的刻度系數(shù)誤差。

下文給出卡爾曼濾波的系統(tǒng)矩陣

(1)

式中:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

變量注釋:

ωie表示地球自轉角速率;

RM表示地球子午圈曲率半徑,單位為m;

RN表示地球卯酉圈曲率半徑,單位為m;

L表示地理緯度,單位為rad。

此模型在原有15維濾波模型基礎上增加了3個狀態(tài)變量,即陀螺的刻度系數(shù)誤差。

1.2 激光陀螺的安裝方式

空間三軸激光陀螺是一種成熟的高經濟性慣性器件(敏感軸分布示意圖如圖1所示),是單軸機抖激光陀螺技術的集成創(chuàng)新,即用整體結構方式將3只單軸機抖激光陀螺集成于同一基體上,構成三軸正交的空間激光陀螺。一方面消除了原有3個陀螺不同抖動頻率相互之間的干擾,另一方面提高了系統(tǒng)工作的可靠性,也降低了陀螺部件的整體功耗。與陀螺組合(含3只單軸機抖激光陀螺)相比,優(yōu)越性主要表現(xiàn)為:部件少、體積小、質量小、結構緊湊、振動環(huán)境適應性提高等。

其中Xb、Yb、Zb為慣導坐標系,Xs、Ys、Zs為空間三軸激光陀螺坐標系。Yb軸為慣導速率偏頻旋轉軸。

1.3 速率偏頻的主要流程

利用空間三軸激光陀螺進行速率偏頻尋北時需要遵循一定的流程,要把握好機抖狀態(tài)跟偏頻狀態(tài)的切換。對準流程如下(圖2):

1)首先系統(tǒng)上電,預熱3min,然后發(fā)送對準指令,系統(tǒng)開始對準。

2)系統(tǒng)開機抖進行粗對準;

3)粗對準結束后,系統(tǒng)以恒定轉速進行速率偏頻,然后關機抖;

4)對準時間5min,然后開機抖,最后停止恒速轉動,完成尋北。

1.4 偏頻角速度的選擇

激光陀螺在不同轉速下的刻度系數(shù)穩(wěn)定性不一樣,對系統(tǒng)在轉速40(°)/s到轉速100(°)/s進行尋北試驗對比,實驗結果可以發(fā)現(xiàn),轉速越快陀螺刻度系數(shù)越穩(wěn)定,濾波模型中刻度系數(shù)誤差的估計也會越快。但是轉臺會損耗得越嚴重,轉臺的壽命會縮短,且轉速過快對轉臺轉速的精度存在影響,因此在實際工作中轉臺轉速宜選擇合適的值。

2 數(shù)學仿真

數(shù)學仿真僅用來判斷能否在5min中內估計出設定的等效Yb向的刻度系數(shù)誤差,無法進行重復性對比,尋北精度可在實際系統(tǒng)驗證得到。

2.1 仿真條件:

試驗時加入的誤差信息如下所示:

陀螺漂移為

加表零偏為

陀螺刻度系數(shù)誤差為

姿態(tài)、速度及位置無初始誤差。

利用軌跡發(fā)生器產生所需要的單軸恒速偏頻條件下的陀螺與加速度的輸出值,并相應地產生各時刻的載體速度、位置、姿態(tài)信息。轉速為40(°)/s到100(°)/s。

2.2 仿真結果

如圖3所示，從左至右分別為100(°)/s轉速到40(°)/s。

取轉速60(°)/s下的數(shù)據(jù)進行分析:

從圖3可以看出，估計得到的y陀螺刻度系數(shù)誤差為9.96×10-6,實際理論設定1×10-5,在對準的5min時間內能夠較為快速準確地估計出y向陀螺刻度系數(shù)誤差,估計殘差為4×10-8,在5min中內對航向造成的角度誤差為0.00096°(3.456＂),精度損失可以忽略,滿足對準要求,因此在實際使用時偏頻速率為60(°)/s。

3 實驗驗證

使用基于空間三軸激光陀螺的單軸旋轉系統(tǒng)進行試驗(實物圖如圖4)。

實驗過程,將慣組固定在大理石臺上,均是同一狀態(tài)啟動,分別利用速率偏頻與機抖正反轉進行四位置尋北,對準時間5min,完成8次對準,視為1組對準試驗,8次對準試驗之間慣組斷電1min,轉至下一位置,重復上述操作,直至完成4組試驗。

(1)尋北實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

(2)刻度系數(shù)誤差估計曲線圖如圖5所示。

從上述數(shù)據(jù)可以看出,機抖正反轉5min的對準精度為117.2248(3σ),速率偏頻5min的對準精度為60.1924(3σ)。速率偏頻方案尋北精度優(yōu)于機抖正反轉,尋北精度相對于機抖正反轉提升了將近2倍。從圖2可以看出,速率偏頻狀態(tài)下刻度系數(shù)誤差的估計速度很快,基本在1min中內就已經趨于穩(wěn)定了,刻度系數(shù)誤差的估計量級在10-8～10-7級別,基本對航向無影響。

4 結論

恒速偏頻能在同量級慣性器件基礎上最大限度地降低激光陀螺隨機游走誤差,此狀態(tài)下,系統(tǒng)的尋北精度在很大程度上取決于陀螺刻度系數(shù)的穩(wěn)定性。通過恒速轉動能夠提升旋轉軸向陀螺刻度系數(shù)估計速度和估計精度,從而縮短對準時間,相對于機抖正反轉能進一步提高其尋北精度。

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Constant-Rate Biased North Finding Technique Based on Monolithic Triaxial Ring Laser Gyro

HU Qi-lin1, LI Li-xin2, WU Liang-hua1, ZHANG Yi-xin1, WU Xiao-feng3

(1.Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China; 2.The Third Academy of China Aerospace Science & Industry Corporation, Beijing 100074, China;3.Shanghai Aerospace Control Technology Institute, Shanghai 200233, China)

To reduce or eliminate the lock-in effect of Laser Gyro, biasing is commonly used in engineering applications. With rate-bias technique, all the random walk errors can be virtually decreased and the measuring accuracy can be improved. Based on the orthogonal-diagonal lattice of the monolithic triaxial ring laser gyro, with constant-rate biased technique, new equations for Strapdown Inertial Navigation System are built and scale factor error is imported as the state variable, and finally high precision north finding is realized by using Kalman filter method. Experiment result shows that this initial alignment method can not only speed up convergence, but also improve estimation accuracy. And the north finding precision can achieve 90 seconds of arc(3σ) in five minutes.

High precision north-finding technique; Rate bias; Scale factor error; Monolithic triaxial ring laser gyro

2016-11-15；

2017-02-01

胡奇林(1991-)，男，碩士，主要從事導航制導與控制方面的研究。E-mail:kylin_casic@qq.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.009

U666.12

A

2095-8110(2017)04-0061-05