MEMS陀螺零偏温度补偿模型研究

针对MEMS陀螺工作易受温度变化影响、角速度测量输出误差大、预热时间长的问题,通过大量实验数据分析、总结规律,建立了零偏温度补偿模型,并结合最小二乘法利用多元线性回归技术对模型参数进行了辨识。对比零偏温度补偿前后的试验结果表明,经过补偿后的MEMS陀螺不但测量精度得到提高,其工程应用稳定性也得到增强。     

光纤陀螺仪中尖峰脉冲引起漂移 的误差分析及其抑制

首次分析了光纤陀螺仪探测器输出信号中频率固定的尖峰脉冲对光纤陀螺 仪零偏漂移的影响机理,给出了尖峰脉冲影响光纤陀螺仪零偏漂移的误差模型;根据干 涉式数字闭环光纤陀螺仪探测器输出信号的特点,提出了一种基于高速集成模拟开关的 时域选通尖峰脉冲抑制具体实现方法,实验验证了尖峰脉冲引起的零偏漂移大小和理论 分析接近,表明了误差模型的正确性,同时表明该方法能够有效降低尖峰脉冲引起的光 纤陀螺仪零偏漂移。     

改进的组合导航算法在MEMS组合导航系统中的应用

针对MEMS组合导航系统的应用,提出了一种改进的组合导航算法。首先采用零速修正算法对MEMS陀螺仪逐次启动重复性无规律的常值零偏进行补偿;其次,通过分析陀螺仪误差项的构成,提出了一种将卡尔曼滤波器输出的误差估计量P与零速修正的误差量相结合的改进导航算法,引入误差量分配加权思想,实现对系统误差方差阵Q中陀螺仪误差量的在线调节。利用跑车试验数据对算法进行验证,结果表明在MEMS组合导航系统中,与经典的导航算法相比,改进算法的导航精度更高、可靠性更强,是一种能有效应用于实际中的估计方法。     

气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性 的影响及抑制方法研究

光纤陀螺仪可用于测量载体相对惯性空间的角运动, 是光纤惯导系统的核 心部件。因此,要求光纤陀螺仪具有较高的精度和良好的环境适应性。光纤环是光纤陀 螺仪的角速度敏感部件,光纤环受到环境因素影响,将导致光纤陀螺仪精度下降,因此 需要对光纤环采取适当的保护措施。分析了气压变化导致光纤陀螺仪零偏稳定性变差的 机理： 环境气压的急剧变化, 会使光纤环上产生附加应力, 造成光纤的折射率分布不 均,导致光路产生非互易性相位差,使光纤陀螺仪零偏产生漂移,零偏稳定性变差;并 提出了对光纤陀螺仪进行密封的措施来抑制该效应。经试验验证,采用此密封设计后, 光纤陀螺仪在变气压环境中的零偏稳定性改善了近10 倍。     

基于视觉的惯性导航误差在线修正

陀螺零偏和加速度计零偏是影响惯性测量单元(IMU)积分精度的重要因素。提供一组精确的实时的零偏估计可以提高IMU的积分精度,为视觉导航提供良好的位姿预测,提高整个系统的动态性能。通过合理地建立IMU的噪声模型以及IMU和视觉的组合方程,利用一种基于李群和李代数知识的IMU预积分方法将零偏进行合理的线性化,运用Kalman滤波进行IMU零偏的在线估计。实验结果表明,通过本文的修正方法,惯性导航的平均积累误差由0.034m/s提高到0.0037m/s,精度明显提高。     

泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪 零偏稳定性的影响研究

本文研究了泵浦激光频率波动对核磁共振陀螺仪零偏稳定性的影响.通过分析核磁共振陀螺仪理论模型和自旋光泵浦极化129Xe的过程,阐述泵浦激光频率波动对陀螺仪零偏稳定性的影响机理.结果表明,泵浦光频率波动会导致核磁共振陀螺仪零偏稳定性下降约3个数量级.泵浦光频率波动是制约核磁共振陀螺仪性能提升的重要因素.     

高精度激光陀螺仪温度补偿模型研究

在实际工程中,高精度激光陀螺仪的输出零偏会随着温度变化发生漂移,限制了其应用。为了降低和补偿温度对陀螺零偏的影响,提高陀螺应用性能,降低装备成本,从探究温度对输出零偏的影响因素出发,建立了一种考虑多影响因素的温度补偿模型,并设计了相应的温度试验。试验结果表明,高精度机抖激光陀螺的零偏和温度、温变速率、温度梯度具有较好的相关性和重复性,该温度补偿模型补偿效果显著,可基本消除零偏随温度变化的趋势,有效降低武器装备对零部件的要求,能够降低应用成本,具有很强的实用价值。     

单片集成三轴微机电陀螺仪

为使陀螺仪进一步小型化、集成化,提出了一种新型单片集成三轴微机电陀螺仪,该陀螺仪采用单一MEMS结构芯片实现3个轴向角速度的测量.介绍了单片三轴陀螺仪工作方式、结构设计以及电路原理,完成了MEMS结构的流片加工,对陀螺仪表头和整机进行了测试,单片三轴微机电陀螺仪x轴、y轴和z轴零偏稳定性分别达到53.4(°)/h、70.8(°)/h和18.4(°)/h,非线性度分别为1.59×10-4、3.3×10-4和2.18×10-4.该陀螺仪具有三轴角速率检测效应,具有集成度高、体积小的优势,具有较强的应用潜力.     

行人导航系统中的MEMS误差在线修正技术

在基于微惯性器件的行人导航系统中,陀螺仪和加速度计的偏移是降低系统定位精度的重要因素。传统的标定方法大多在实验室中进行,后续导航解算都是基于标定后的固定模型,然而MEMS器件长时间工作后,标定模型参数发生变化会导致系统导航性能下降。通过分析行人导航系统及MEMS器件的特点,提出了一种基于误差模型的MEMS器件参数在线修正方法。根据行人行走的特点,检测并区分行走过程中的可修正区间与不修正区间。在可修正区间基于逆向解算算法实现了对陀螺仪和加速度计零偏的在线修正,并提出了主航向反馈修正算法,提高了行人导航系统长时间导航性能。实验结果表明,40m行走实验中,系统定位精度提升了9.07%;300m行走实验中,系统定位精度提升了13.14%。     

基于LSTM神经网络的机载光纤陀螺温度冲击误差补偿技术

环境温度冲击会降低机载光纤陀螺的性能,从而影响飞行器导航和姿态控制精度。在光纤陀螺误差机理研究基础上,本文提出一种基于长短期记忆（LSTM）神经网络的光纤陀螺温度误差补偿模型。该模型通过LSTM网络对光纤陀螺的零偏和标度因数进行实时预测和校正,提高光纤陀螺的测量精度。试验结果表明,在温度冲击下,LSTM预测模型补偿后的标度因数误差小于30ppm,零偏稳定性比常规的线性拟合补偿模型提高0.0034（°）/h。这意味着输出更准确地反映实际角速度值,陀螺仪的零偏漂移更小,输出更接近于零值。动态试验中转台输入为20（°）/s时,LSTM补偿后陀螺输出稳定在19.999～20.001（°）/s区间内,相较于陀螺原始输出误差降低0.008（°）/s。通过LSTM预测模型补偿,能够在环境变化、外部扰动或传感器故障时,通过陀螺仪提供更可靠的数据支持,维持飞行器的稳定性和安全性。     

基于角增量和矢量模值观测的光纤陀螺温度漂移参数分段估计

光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于航空、航天、航海及陆地车辆定位定向等领域,对光纤陀螺输出误差进行补偿是提高导航精度的有效手段。温度漂移和常值零偏是影响光纤陀螺精度的两个主要误差来源,对角增量输出式三轴光纤陀螺捷联惯导系统的陀螺温度漂移及常值零偏误差参数估计方法进行了研究。针对光纤陀螺的温度漂移,提出了一种基于角增量的分段最小二乘估计方法,根据不同温度区间的特征使用低阶模型即可进行误差建模,估计结果相比整体估计方法更加精确,同时推导了各个温度段参数的边界条件,保证了温度漂移模型在不同温变速率条件下的连续性。针对三轴陀螺输出中包含的常值零偏,提出了一种基于地球自转角速度矢量模值观测的方法,可在不依赖高精度转台等外部基准设备的条件下对光纤陀螺零偏进行估计,可适用于高纬度地区及极区环境下的外场标定。通过温箱静置升温实验,对光纤陀螺惯导系统三轴角增量陀螺进行了温度漂移和零偏的估计与补偿,验证了提出方法的有效性。     

Modeling and analysis of solar Doppler difference bias with arbitrary rotation axis

The solar rotation causes the solar Doppler difference bias, which leads to the decline of the velocity measurement accuracy. Modeling and compensation are an effective solution. The limited model with specific geometric direction, where the solar rotation axis is perpendicular to the plane through the Sun, the Earth and Mars, was established. However, in fact, the geometric relationship among the Sun, Mars and the spacecraft is not fully in line with the hypothesis of the model due to the spacecraft orbital angle and the solar rotation axis drift. Thus, this model is not consistent with the fact. In order to solve this problem, a universal solar Doppler difference bias model, which provides the expression with arbitrary rotation axis, is established in this paper. In this method, for any point at the solar surface, four variables including the direction of the solar rotation linear velocity at this point, the distance from this point to the rotation axis, the vector from this point to Mars, and the vector from this point to the spacecraft are calculated. Based on these four variables, the solar Doppler difference bias corresponding to this point is obtained. The theoretical analysis and simulation results demonstrate that the solar Doppler difference bias model with the actual rotation axis is different from that with one of the specific rotation axes. Therefore, it is indispensable to build the proposed model for compensation. Besides, the direction of the solar rotation axis, the spacecraft-Mars-Sun angle and the spacecraft-to-Mars distance are important impact factors for the proposed model.     

干涉式光纤陀螺光纤环互易性温变漂移补偿方法

分析了干涉式光纤陀螺光纤环受温度影响产生零漂误差的机理,对于温变环境下的光纤陀螺输出,在传统线性分析手段的基础上,以互易性为主,把光纤环径向内外温度差以及温度变化率的差作为研究对象,建立了新的多项式零漂评估方法.通过对模型不同幂级次的探寻,寻找到变温情况下的最佳拟合系数并进行仿真补偿,实现了陀螺精度的大幅提高,使得最佳零漂降低为原始输出的20.6%.最后,对拟合系数进行陀螺变温实验验证,证实了该新型温度补偿方法的合理性.     

Surface Roughness Effects on Vortex Torque of Air Supported Gyroscope

In order to improve the drift precision of air supported gyroscope, effects of surface roughness magnitude and direction on vortex torque of air supported gyroscope are studied. Based on Christensen’s rough surface stochastic model and consistency transformation method, Reynolds equation of air supported gyroscope containing surface roughness information is established. Also effects of mathematical models of main machining errors on vortex torque are established. By using finite element method, the Reynolds equation is solved numerically and the vortex torque in the presence of machining errors and surface roughness is calculated. The results show that surface roughness of slit has a significant effect on vortex torque. Transverse surface roughness makes vortex torque greater, while longitudinal surface roughness makes vortex torque smaller. The maximal difference approaches 11.4% during the range analyzed in this article. However surface roughness of journal influences vortex torque insignificantly. The research is of great significance for designing and manufacturing air supported gyroscope and predicting its performance.     

窄频差硅基环形陀螺检测闭环控制系统设计

针对窄频差硅基环形波动陀螺动态性能差的问题，提出了一种基于比例积分微分-惯性环节（proportion integral differential-inertial element，PID-IE）的串联式相位校正检测闭环系统控制器。以硅微机械陀螺仪结构运动方程为基础建立了理想的窄频差U 形弹性梁硅基环形波动陀螺仪的系统模型。通过对环形陀螺开环工作状态下的系统模型及其外围电路的传递函数和波特图分析，设计了一种基于PID-IE的检测闭环系统控制器。通过对其系统模型及外围电路时域仿真，验证了该检测闭环控制系统的可行性，通过仿真发现，加入该控制器后的陀螺输出稳定时间减少了50%，陀螺检测位移输出减小了2个数量级，基本实现了该陀螺的检测位移抑制。在模拟电路中实现了该检测闭环控制系统后，通过实验测试了陀螺检测闭环控制前后的各项性能指标。通过实验测试发现，实现闭环控制后，陀螺输出稳定时间约为0.15 s，陀螺检测位移在闭环工作状态下比开环工作状态减小了97%，陀螺的标度因数比检测开环提高了10倍,零偏及零偏不稳定性与检测开环相比分别提升了3倍和8倍，且闭环控制系统的工作带宽比开环工作带宽提高了30倍。     

光纤陀螺标度因数及零偏温度误差补偿研究

首先分析了光纤陀螺产生温度误差的机理,在此基础上分别指出标度因数与零偏的误差补偿模型,提出了一种利用一组数据同时补偿标度因数及零偏的方法,直接表示输入与标度因数零偏补偿后的关系。最后通过实验验证了该方法不仅能够有效地补偿陀螺的温度误差,且其补偿精度优于原单独补偿的方法,同时该方法仅需一次温度实验,节省实验成本,具有较大的现实意义。     

数字闭环光纤陀螺的调制串扰误差

 通过分析数字闭环光纤陀螺的阶梯波调制信号与输出死区、周期噪声干扰及小角速度漂移的关系，提出了调制串扰误差的概念。指出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及调制信号产生的调制误差是产生调制串扰误差的干扰源。将调制串扰通道模型简化为比例环节和部分积分环节，并和光纤陀螺理想模型结合，建立了光纤陀螺调制串扰误差模型，利用该模型推导出了产生死区的条件及周期噪声干扰和小角速度漂移造成的输出偏差表达式，并对周期噪声的幅值、频率与陀螺输出量级、带宽之间的关系进行了定量分析。调制串扰误差的仿真和实验结果与理论分析结果基本一致，验证了调制串扰误差模型的正确性。     

基于小波分析和时间序列理论的陀螺仪随机漂移建模研究

综合分析了已有的对陀螺随机漂移建模的各种方法,在分析其各自的优缺点的基础上,考虑到运算的快速性及模型的准确性,这里提出了综合运用小波分析和时间序列理论对陀螺仪随机漂移进行建模的方法,并通过M atlab仿真实验,分析肯定了该方法的有效性和实用性。     

光纤陀螺热致漂移仿真分析及实验验证

外界温度场作用下,光纤环温度变化和热应力是引起光纤陀螺非互易误差的主要原因。分析了光纤陀螺热致漂移的数学模型,基于该模型仿真研究了对光纤环以恒定功率加热随后转入平稳状态扰动因素下陀螺的输出特性。为验证模型准确性,选用3个光纤环搭建光纤陀螺系统,并对陀螺零偏变化特性进行了测试。测试结果表明,各陀螺零偏测试值与模型计算值间的误差不超过8%,实验结果与模型能够较好符合,该研究结果对高精度光纤陀螺的设计具有重要指导意义。     

捷联惯性导航系统动静态误差特性分析研究

捷联惯性导航系统动静态误差特性是基于惯性的组合导航系统的主要误差来源。为此,根据捷联惯性导航系统的误差状态方程,本文分析了不同动静态情况下的捷联惯导系统的误差漂移特性。针对静基座和动基座的不同特点,分别采用了特征根和基于数值仿真分析的方法,并建立了相应的误差特性分析模型。重点研究了陀螺常值漂移、加速度计零位偏置和随机性误差对惯性导航系统误差漂移特性的影响;全面分析验证了惯性导航系统的动静态误差特性。本文的研究工作将为惯性组合导航系统误差分析建模提供了有益的参考。