激光陀螺仪误差分析与补偿技术.pptx

1、激光陀螺仪的误差分析与补偿技术,自动化学院2120121027王宇辰,激光陀螺的主要误差一些论文中激光陀螺的补偿方法,激光陀螺仪的工作机理与刚体转子陀螺仪有着根本区别，因此二者的误差源亦完全不同。激光陀螺仪不存在与线运动及角运动有关的误差，这是一个突出的优点。,激光陀螺的主要误差源,闭锁效应：原因： 由于激光介质的色散、模式牵引和反射镜等光学元件对光束的后向散射等原因，有源环形腔内正、反向行波的频率接近到一定程度时，将突然变成完全一样，即存在一个可能达到的最小频差X，一旦频差小于X，就将变为0.因此当输入转速小到一定程度时，有源环形腔内正、反向行波模对的频率将趋于完全相同。上述现象即为激光陀螺

2、进入锁区，此区域内输入转速不被敏感。缩小锁区、消除锁区及采用各种偏频方法克服锁区的影响是激光陀螺最为关键的技术。,闭锁效应的消除方法： 机械抖动偏频，是绕激光陀螺仪的输入轴人为地加上一个大的恒定角速度，该角速度远大于闭锁阈值，使得在输入角速度为零时激光陀螺仪总有一个恒定的频差输出，这个频差称为偏频。（二频机抖、四频差动）或磁镜偏置，是利用横向克尔磁光效应做成的一种反射镜，由于磁镜的作用，使两束激光之间出现光程差而产生频差输出，这个频差就是偏频。法拉第效应偏频等。使得在大部分抖动周期内敏感的角速率超过闭锁角速率。,激光陀螺根据克服闭锁的措施不同可分为：机械抖动偏频激光陀螺、磁镜偏频激光陀螺、恒速

3、偏频激光陀螺、四频差动激光陀螺等。机械抖动偏频激光陀螺是目前获得广泛应用的一种陀螺。它利用交变的机械抖动使陀螺大部分时间从锁区偏置出来，从而大大减小闭锁误差。主要缺点为制造和抛光激光腔体的表面很困难，发射镜的生产需要很高的技术，陀螺仪的价格很高。磁镜偏频激光陀螺也是利用交变的抖动使陀螺从锁区偏置出来。它是利用等效转动的磁光效应进行交变偏频的，其精度比机抖陀螺差。,恒速偏频激光陀螺是近年发展起来的一种 偏频方案，它利用速度恒定度非常高的机械转动来实现偏频，其精度比机抖陀螺高，但其体积大，而且输入速率范围低。四频差动激光陀螺的腔体中运行着两队顺、 逆方向的激光，分别构成两个单陀螺，对它们施加相同的

4、法拉第效应偏频，使之远离锁区。再把二者的拍频相减，就得到陀螺的输入角速率。这种陀螺结构复杂，成本高，技术难度大。,零点漂移 陀螺曲线不过零点，即当输入角速率为零时，陀螺输出却不为零。零漂主要有朗缪尔流动零漂、磁场引起的零漂、多模耦合效应零漂、差分模推斥零漂、非激活介质的流动和电泳引起的零漂、锁区不稳定和顺逆不相等带来的零漂等。标度因数误差 标度因数误差是指标度因数的实际值相对标称值的变化。在同一角速度输入之下，如果标度因数变化，将引起输出频差的变化，从而导致激光陀螺仪的测量误差。,单轴旋转调制技术对激光陀螺慢变漂移的抑制 惯性导航系统的精度主要受器件误差的影响，由惯性器件误差造成的系统误差随时

5、间积累，因此在长时间高精度的应用场合，必须降低惯性器件误差对导航精度的影响。采用旋转调制技术，可以在导航系统中将惯性器件误差调制成周期性变化的信号，从而抵消器件误差对导航精度的影响，提高惯导系统长时间导航精度。此外，采用旋转调制技术还可提高系统的初始对准精度。国内，袁保伦对光学陀螺旋转调制技术的原理和比例因子误差效应进行了研究，指出光学陀螺惯导系统更适合采用系统级旋转方式。翁海娜对旋转调制方案进行了研究，研究结果表明，旋转调制,方案应采用正反交替旋转，否则会引入新的误差。 旋转调制技术的本质就是改变陀螺敏感轴方向，使依附于陀螺敏感轴上的误差方向在导航系中改变，使不同方向上的等效器件引起的系统导

6、航误差相互抵消，从而提高导航精度。 旋转调制技术必须具有以下几个基本条件才能提高系统精度：1）旋转或者翻转不能增加惯性器件误差；2）惯性器件的敏感轴方向在导航系中有规律的变化。,激光陀螺温度误差补偿方法温度误差补偿模型：= 0 +（T）+（)+(T） 式中B-激光陀螺瞬时零偏； 0 -陀螺仪启动2min后的零偏值，代表了零偏的主值部分；（T）-温度变化对零偏的影响；（）-温度变化率对陀螺零偏的影响；（T）-温度梯度对陀螺零偏的影响。,多项式拟合方法：当陀螺环境温度变化率很小，温度梯度值稳定的情况下，温补模型可以简化成自变量只含有温度变化的多项式形式Bias= 0 + 0 + 1 （T- 0 ）

7、+ 2 （ 0 ） 2 + 3 ( 0 ) 3 0 = 00 + 01 0 + 02 0 2 ; 3 = 30 + 31 0 + 32 0 2 ;其中， （i=1,2,3;j=1,2,3)称为温补系数的拟合常系数，由最小二乘法可以确定。,2.多元逐步线性回归方法激光陀螺的温度零偏误差不仅受温度变化的影响，温度变化率和温度梯度对零偏的作用在某些场合也是不可忽略的。当周围环境温度变化剧烈时，必须考虑它们的影响。Bias= 0 + 0 + 1 （T- 10 ）+ 2 （ 10 ） 2 + 3 1 + 4 (T- 2 ) 0 = 00 + 01 10 + 02 10 2 ; 4 = 40 + 41 1

8、0 + 42 10 2 ;,3.神经网络拟合方法多项式拟合和多元逐步线性回归的补偿方法都必须建立在某个准确的数学模型之上，但实际上，这种准确的数学模型是很难建立的，上面所用到的简化模型仅仅是实际问题的一个最优近似。神经网络不依赖任何确定的数学模型，且理论上已证明，至少含有一个S型隐层再加上一个线性输出层的BP神经网络，能够通过自学习逐步逼近任意有理函数，所以，建立温度零偏误差的BP神经网络模型是进一步提高补偿精度的重要手段。,船用激光陀螺捷联惯导系统中激光陀螺误差自动补偿的方法研究激光陀螺误差自动补偿的一般方法是采用激光陀螺测量轴换向法。例如，测量轴相互正交的三个激光陀螺绕测量轴XYZ中的一个

9、轴（例如Z轴）稳定的旋转可以减少另外2个轴（例如X轴和Y轴）的激光陀螺的常值漂移，但并不能减少沿Z轴激光陀螺的漂移。理论和实践表明：陀螺组件绕不与测量轴相重合的一般轴旋转是可行的。这种方法称为动态自动补偿。,激光陀螺随机漂移的数字滤波方法研究激光陀螺的随机漂移噪声类似于白噪声，它是影响激光陀螺精度的重要因素，采用数字滤波的方法可以减小随机漂移对激光陀螺精度的影响。常见AR（2）模型、卡尔曼滤波、小波分析和小波包分析这四种数字滤波方法，可以利用功率谱和Allan方差的分析方法对这几种滤波效果进行比较。结果表明，对于激光陀螺的随机漂移的滤除，基于AR模型的卡尔曼滤波法的效果最好，基本上消除了陀螺的随机误差，而小波分析法和小波包分析法只能在一定程度上消除高频段的漂移。,参考文献：惯导系统陀螺仪理论 郭秀中高精度导航系统 章燕申激光捷联惯导寻北技术研究 党建军激光陀螺温度误差补偿方法 刘明庸 周良荣等船用激光陀螺捷联惯导系统中激光陀螺误差自动补偿的方法研究 凌明祥 张树侠等惯性器件 陆元九单轴旋转调制技术对激光陀螺慢变漂移的抑制 张伦东 刘伟等,谢谢！,