光纤陀螺寻北仪的二位置寻北方案

介绍了光纤陀螺寻北的基本原理,分析了基座的倾斜误差对寻北精度的影响。基座平面绕垂直于陀螺轴的倾角将直接引起一个同样量级的方位角测量误差,从而在较大程度上影响寻北精度。基座平面绕陀螺轴的倾角对方位角测量的影响小,在一些寻北精度要求不高的场合,可以忽略该倾角的影响。最后介绍了光纤陀螺寻北仪的二位置寻北方案。二位置寻北方案利用光纤陀螺对相差180°的两个方向上的地球自转角速率水平分量的敏感,精确地解算出地理真北方向与陀螺轴向的夹角。系统简单,比较容易实现。     

单轴光纤陀螺寻北仪

光纤陀螺寻北仪采用单光纤陀螺和双加速度计组合技术方案,通过二位置法测量消除了光纤陀螺的常值漂移和加速度计偏值的影响。通过增加一个从初始位置逆时针旋转90°的采样位置,实现了全方位寻北。为了消除静基座寻北时基座扰动对寻北精度的影响,基于抗差估计理论采用了高崩溃污染率的初值辅以IGGⅢ方案迭代解算的混合新算法。系统简单,容易实现且性能稳定。测试结果显示在5min之内寻北精度小于3′。     

陀螺寻北仪二位置寻北方案

讨论了挠性陀螺寻北仪二位置寻北方案。二位置寻北方案是利用陀螺仪敏感在相差180°的两个方向上的地球自转角速率分量,准确解算出地理真北方向与陀螺轴向的交角,从而实现寻北的方案。该方案利用转位对消了陀螺的常值漂移,因此,大大降低了对陀螺精度的要求,已经成功的应用于我所研制的CFN系列寻北仪中。实践证明:对于双轴陀螺采用二位置寻北方案易于实现,精度较高。     

基于光纤陀螺零偏稳定性的高精度寻北方案

为了进一步提高光纤陀螺寻北系统的测量精度,提出了一种基于光纤陀螺零偏稳定性分析的寻北算法设计方案.首先,分析了光纤陀螺寻北系统的原理和影响系统寻北精度的主要因素,指明在寻北时间一定的情况下,需要根据光纤陀螺零偏稳定性的测试结果来平衡单位置积分时间及位置数,来达到较高的寻北精度.实验数据表明,本系统利用精度为0.03 (°)/h的陀螺进行5 min寻北测试,采用56位置法可以实现3′的寻北精度.此方法突破了传统寻北算法的参数选择标准,能够最大程度抑制陀螺的测量噪声,大幅提高寻北系统性能,对其它陀螺寻北系统的参数选择具有借鉴意义.     

基于双环单轴光纤陀螺仪的3位置寻北方法

光纤陀螺寻北仪的寻北精度与光纤陀螺仪的精度及其在单位置处的采样时间长度直接相关。针对传统单环单轴光纤陀螺4位置寻北方法的寻北精度受限于光纤陀螺仪精度和单位置采样时间的问题,提出了一种采用双环单轴光纤陀螺仪的3位置寻北方案。首先设计了一种双环单轴光纤陀螺仪。其次,基于双环单轴光纤陀螺仪,提出了一种旋转0、90、180的三位置寻北方法,推导出了航向表达式。最后,对所提方法进行了实验验证。实验结果表明,在相同单次寻北时间下,相比传统的单环单轴光纤陀螺仪4位置和2个正交放置的单环单轴光纤陀螺仪2位置寻北方法,采用所提出的方法,寻北精度分别提高了40.74%和21.95%,具有明显的精度和成本优势。     

寻北仪中光纤陀螺斜坡漂移估计与比较

寻北仪中光纤陀螺信号中的斜坡漂移是影响寻北精度的因素之一。对信号中的斜坡漂移部分,采用抗差估计拟合其系数再对其进行补偿;对信号中残留的噪声项以及干扰项,在不同情况下比较了直接平均、抗差估计和小波滤波三种方法的处理效果。算例结果表明:对信号中的斜坡漂移进行补偿,可以显著提高寻北精度;当无异常干扰时,采用小波滤波效果较好;当有异常干扰时,采用抗差估计效果较好。     

基于粒子滤波的光纤陀螺寻北方案

为了降低噪声对光纤陀螺（FOG）寻北的影响,提高寻北速度和精度,提出了一种基于粒子滤波（PF）的光纤陀螺寻北方案。首先基于单轴光纤陀螺能够敏感地球自转角速率水平分量的输出特性,建立非线性光纤陀螺寻北系统的状态空间模型和观测模型。根据粒子滤波的基本原理,以及在解决非线性系统估计问题上的优势,利用粒子滤波来解算出光纤陀螺敏感轴与真北方向的夹角。仿真实验结果表明,该方案不仅可以在20至30倍采样时间间隔内快速获得寻北结果,而且可以有效解决光纤陀螺常值漂移和随机噪声的影响,其精度优于基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的寻北结果。     

纬度对陀螺经纬仪的影响测试分析

理论分析了纬度对陀螺经纬仪的影响规律,纬度越高陀螺指向力矩越小,陀螺仪跟踪周期和不跟踪周期越长,由此引起的陀螺经纬仪测量精度随纬度增高而趋势性变差。利用4台高精度陀螺经纬仪在纬度间隔约5°条件下进行了实地测试实验。结果表明,纬度从18°升高到53°,陀螺经纬仪测量精度变化约在3″左右,实验结果与理论分析结果一致。在考虑随机误差、仪器常数稳定性等其他因素影响的情况下,对中低精度的陀螺经纬仪影响可以接受,而对于高精度陀螺经纬仪不可忽视,可通过适当的测试数据拟合方式对纬度影响进行补偿。     

多位置寻北误差与陀螺数据采样时间的关系

为了在规定寻北时间内确定最佳采样时间和提高寻北精度,针对多位置陀螺寻北仪寻北误差与采样时间的关系问题,以FOG二位置寻北方案为例,采用FOG寻北误差理论推导结果与寻北实验结果相比较的方法,结合FOG数据的自相关性理论分析结果,分析得到了多位置寻北误差随采样时间的变化规律:随采样时间的增加,寻北结果会产生寻北精度不稳定、基本稳定、寻北精度较高和寻北误差增大等四种情况;分析了寻北实验误差小于理论计算结果以及寻北精度并非一直随采样时间增加而提高的原因;提出采样时间极限的概念,并得到实验样机采样时间极限为120 s,提出确定采样时间的原则和选择最佳采样时间的方法,这对多位置陀螺寻北仪设计和提高寻北精度具有一定指导意义.     

单自由度磁浮陀螺寻北仪的控制及分析

提出了一种结构简单的新型磁悬浮寻北仪,建立了电磁轴承约束的单自由度陀螺罗盘的数学模型,讨论了陀螺框架轴在弹性约束下偏离铅垂方向对寻北精度及定向时间的影响。采用动态补偿器使磁浮轴承系统稳定工作,并通过适当选取控制策略,有效地降低了由于框架轴运动而造成的寻北误差,并解决了可能出现的转子轴轨迹发散的问题。仿真结果表明,该磁悬浮寻北仪具有明显优于现有寻北仪的性能,当寻北时间为40 s时,定向误差小于2.3081×10?11 rad。     

正交检测技术在光纤陀螺寻北仪中的应用

寻北仪在军事和民用等领域发挥着重要的作用,为了短时间内提供载体航向信息,设计了一种动态捷联式寻北仪.系统主要由一个单轴光纤陀螺、一个石英加速度计和一个旋转平台组成.在静基座条件下,使旋转平台绕垂直轴恒速单向旋转,通过对陀螺和加速度计输出数据的动态特性进行分析,设计了基于正交检测技术的快速寻北方案,能有效抑制惯性元件的漂移噪声,并且旋转平台可以免去复杂的调整水平过程.仿真结果表明,寻北仪转速设置为3(°)/s,在120 s 内给出载体航向信息,精度优于30″,同时也能输出一定精度的水平姿态信息.     

光纤陀螺的热分析与热设计方法

光纤陀螺随温度变化产生的热噪声及热致非互易性相移误差直接影响其使用精度。为解决温度问题,分析了光纤陀螺工作的热环境,根据光纤陀螺的体积功率密度选择了自然冷却方法,包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或组合。通过分析光纤线圈及其他光电器件的温度特性及温度变化产生误差的机理,指出热设计的目的是控制光纤陀螺内部的温度场分布及最高温度,并对光纤陀螺的热设计方法进行研究,包括光纤线圈的热设计、光电器件的安装方式、控制电路的热设计等。由最后热仿真与测试结果可知,热设计方法合理可行。     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

光纤陀螺随机漂移补偿中的数据融合方法（英文）

为提高光电平台的控制性能和稳定性,以平台反馈回路所用的光纤陀螺传感器为研究对象,对光纤陀螺角速率的历史输出、当前量测以及随机漂移进行融合补偿。采用双自回归模型确定了光纤陀螺时间序列输出的自回归多项式和光纤陀螺随机漂移的自回归关系。以陀螺当前输出为量测量,结合卡尔曼滤波算法将陀螺历史输出和历史随机漂移融合进状态方程,并进行随机漂移在线估计补偿。实验结果表明,光纤陀螺随机漂移的AR模型能达到90%拟合效果,经卡尔曼滤波补偿后随机漂移能降到1/10。该方法能很好地抑制光电平台三个框架轴光纤陀螺的随机漂移,补偿率为80%~90%。     

基于双模型的光纤陀螺温度补偿方法（英文）

基于Sagnac效应的光纤陀螺(FOG),因其自身的优点广泛地应用在捷联惯性导航系统中(SINS)。然而,温度对FOG的影响包括常值影响和随机影响,仍是制约光纤陀螺性能的关键因素之一。针对不同性质的漂移,首先建立基于相关性分析的多项式模型补偿常值漂移;然后结合时间序列分析的方法,利用Kalman滤波抑制经多项式模型补偿后残差信号中的随机成分,进一步提高FOG的精度。单轴光纤陀螺试验结果表明,传统的单多项式补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h仅提高到0.04(°)/h;采用常值和随机的双补偿模型,FOG的零偏稳定性能由0.05(°)/h提高到了0.01(°)/h。证明了双温度建模与补偿方法的有效性,在工程上有一定的参考价值。     

光纤陀螺随机漂移建模与分析

光纤陀螺精度是惯导系统精度高低与否的关键因素,而减小陀螺随机漂移是提高其精度的重要手段.对陀螺输出数据中的随机漂移建立模型,在此基础上对陀螺数据进行滤波,可以有效提高光纤陀螺的输出精度,从而提高惯导系统的精度.本文通过大量实验建立了光纤陀螺随机漂移的ARMA模型,通过有效滤波对随机漂移进行滤除,并且对滤波结果进行Allan方差分析.分析结果表明,光纤陀螺输出信号中存在的主要误差源以及正弦噪声较滤波前明显减小到50％,有效地抑制了高频噪声,验证了光纤陀螺随机漂移建立模型的正确性.本文还设计了可视化软件,具有较高的工程意义.     

光纤陀螺机载导航系统多信息融合

为解决纯惯导高度通道的发散问题,引进气压高度表外部阻尼高度通道;为提供精度较高而且能够连续测量的航向参数,引进了数字磁罗盘;对气压高度表和数字磁罗盘这两种传感器的工作原理及信息处理技术进行了研究.在针对利用气压高度表进行高度阻尼、数字磁罗盘误差补偿这一系列相关问题研究的基础之上,将高度表提供的高度信息和磁罗盘提供的磁航向角信息同惯性传感器提供的信息进行多传感器信息融合算法仿真,同时将设计的二阶高度阻尼回路的状态参量作为组合卡尔曼滤波器的状态参量参与滤波,提高了相关导航参数的精度.而高度表和磁罗盘的体积相对不大,成本较低,所以这种组合方式有一定的可行性和优越性.     

BP-Bagging模型在光纤陀螺温度补偿中的应用

为了消除光纤陀螺的温度效应并提高陀螺的精度,BP神经网络模型广泛的应用在光纤陀螺的零偏温度漂移辨识和补偿中。然而,单神经网络模型的泛化能力差,影响模型的预测结果。结合神经网络集成学习的思想,利用Bagging集成技术产生差异大、预测能力强的个体网络,提升模型的预测能力。建立光纤陀螺零偏温度的BP-Bagging模型,将其应用在温度补偿中。通过对某型光纤陀螺的零偏漂移数据进行仿真,结果表明:BP-Bagging模型相比线性回归模型、单BP神经网络模型的补偿效果更显著,有效改善了陀螺的零偏稳定性能。     

基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法

由于角振动台的振动频率有限,无法实现光纤陀螺的高带宽测试。提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法,采用正弦电流激励下的Faraday相位差等效Sagnac相位差,解决了激励信号输出频率有限的问题。根据光纤中的Faraday效应原理,分析了该评估方法与光纤陀螺角振动台测试方法的等效性;搭建了评估系统,使用该评估系统来模拟某型号光纤陀螺的信号处理过程,进行等效评估实验,得到了等效评估的光纤陀螺闭环带宽为9 kHz,实现了高带宽光纤陀螺的频率特性评估测试,为改善光纤陀螺的动态特性提供了有效的验证平台。     

一种三轴光纤陀螺时分复用方案的设计与分析

目前三轴一体化已成为国内光纤陀螺一个新的研究热点。提出一种光学敏感部分共用光源与探测器,信号处理部分采用单信号处理电路分时处理的三轴光纤陀螺组合技术方案。分析了信号处理中前放滤波、三轴控制时序和反馈电路中的通道选择。测试结果表明,其指标达到了低精度光纤陀螺的性能要求,适用于小型化、低成本应用背景。