基于AR模型光纤陀螺温度建模方法研究

针对光纤陀螺随机误差信号特点,在分析其一般时间序列模型的基础上,将AR建模方法运用于随机误差信号的建模,得到陀螺随温度变化的真实趋势,然后利用数学方法建立陀螺的动态温度误差模型,对陀螺的输出进行实时补偿.经过仿真分析表明,通过以上方法的处理后,陀螺在-20℃～50℃全温范围内的零偏极差不超过0.2(°)/h,大幅度提高了陀螺的精度性能.     

谐振式微光学陀螺标度因数及其非线性度分析

谐振式微光学陀螺(RMOG, Resonator Micro-Optic Gyro)输出标度因数非线性度在大角速度应用时变得明显,影响陀螺性能.理论分析了RMOG中频率调制偏置量对标度因数及其非线性度的影响;根据RMOG谐振腔的谐振输出特性,仿真计算了输入角速度范围内的理论标度因数及其非线性度.利用已知的温度性能测试结果建立了标度因数温度误差模型.搭建RMOG实验系统,实际测量输出标度因数~0.95.模拟和实际转动实验得到±500(°)/s范围内标度因数非线性度分别为6.88×10^-4和0.93%,表明通过有效消除环境因素影响,可以使RMOG的输出非线性度满足多数惯性应用的要求.     

MEMS陀螺标度因数误差分析及分段插值补偿

动态条件下,标度因数引起的误差是MEMS(Micro Electromechanical System)陀螺主要误差源之一.为了提高陀螺精度,基于内框驱动式硅MEMS陀螺误差机理,分析了标度因数常值误差、非线性误差以及不对称误差的物理起因,构建了标度因数误差数学模型,提出了对陀螺标度因数按照角速度大小分段插值的补偿方法,消除了转速引起的陀螺标度因数误差.试验结果表明:MEMS陀螺标度因数误差高达4053.2(°)/h(1 σ ),采用分段插值法补偿后陀螺误差减小到79.0(°)/h(1 σ ),补偿精度比一次拟合及分段法分别提高了15.4倍和7.5倍,验证了MEMS陀螺标度因数误差模型的正确性,证明了标度因数实时分段插值补偿方法的准确性和适用性.      

卫星用光纤陀螺三轴组合的关键技术

研究了空间环境对光纤陀螺各项指标的影响,设计了一种新颖的卫星用光纤陀螺三轴组合.针对空间辐射、温度循环和真空环境对光纤陀螺的影响进行了模拟实验,通过分析实验数据得到了空间环境对光纤陀螺主要参数的影响机理.利用最小二乘滤波的方法建立了偏置误差模型,利用查表法建立了标度因数误差模型,并用现场可编程门阵列(FPGA)实时进行零偏和标度因数补偿,补偿后陀螺输出零偏稳定性为0.1(°)/h.同时详细分析了陀螺在空间低角速度环境下产生死区的原因,并利用周期相位扰动调制的方法消除了死区.在卫星用光纤陀螺三轴组合的设计中,实现了光源复用和冗余、空间主动和被动防护措施、在轨故障诊断等技术.      

MOEMS陀螺的谐振腔设计

微光机电(MOEMS)陀螺代表着微型光学陀螺的重要发展方向,而MOEMS谐振腔的设计是谐振式MOEMS陀螺的核心技术.提出了一种新颖的基于微纳米加工技术的MOEMS空间谐振腔结构,介绍了其工作原理和系统构成.建立了谐振腔的数学模型,并利用MATLAB软件对其重要参数进行了仿真计算及分析.为提高谐振腔清晰度及系统测量精度,优化了谐振腔输入输出镜的技术指标,并在此基础上完成了谐振腔的微加工工艺设计.结果表明:所设计的谐振腔清晰度可以达到346,陀螺极限灵敏度为0.25(°)/h,同时可以有效克服克尔效应、背向散射、偏振等光路噪声的影响.      

数字闭环光纤陀螺死区非线性机理

死区非线性是数字闭环光纤陀螺的非线性误差之一,抑制死区非线性可以减小数字闭环光纤陀螺的输出噪声和漂移.分析了死区与分辨率和阈值的关系,给出了数字闭环光纤陀螺死区的定义和测量方法.提出调制信号与探测器输出信号之间的电交叉耦合及进入相位调制器的调制误差信号是产生死区的干扰源.给出了干扰信号的频率和相位特征,并分析了干扰信号跟踪、锁定输入信号的过程.将反馈干扰通道的部分积分模型和理想的数字闭环光纤陀螺模型结合,建立了带死区的陀螺模型.基于陀螺模型及相位调制信号与死区的关系,推导出了死区产生的条件及死区造成的陀螺输出偏差.死区影响因素的仿真结果和实验结果验证了陀螺模型和死区产生条件的正确性.      

基于光学微腔模式劈裂的角速率测量方法

传统的光学谐振陀螺(ROG)把背向散射作为重要误差源之一,须尽量抑制其影响.在光学谐振腔的品质因数极高时,背散光得到足够的增强,不能再被简单地视为噪声.背向散射会引发模式劈裂,所形成的劈裂模谐振频率会随腔体旋转角速率发生变化.结合Sagnac效应,修正有源光学谐振腔模式劈裂传感原理的数学模型,推导出腔体旋转角速率与劈裂值的映射关系式.通过仿真分析不同掺杂增益系数以及不同光纤锥耦合强度下的反射谱线,发现谐振腔工作在欠耦合区域更适合角速率测量.掺杂增益介质可以提高品质因数,减小谐振峰线宽,使得模式劈裂谱线更容易观测.理论与计算机仿真分析表明品质因数为108的光学微腔测量分辨率可达10-6(°)/s,所提出的角速率敏感机制很有应用前景.      

光纤陀螺随机漂移模型

随机漂移是光纤陀螺的主要误差,建立数学模型在输出中补偿是抑制该项误差、提高光纤陀螺精度的有效方法.光纤陀螺静态输出为随机过程,对该随机过程的平稳性和正态性进行分析,拟合趋势项、周期项并补偿,使其成为平稳随机序列.采用时间序列分析法建立光纤陀螺随机漂移模型,根据随机漂移自相关和偏相关系数的特性辨识模型的类型和阶数,利用最小二乘方法估计模型参数,得到光纤陀螺随机漂移模型为AR(2).对陀螺输出数据补偿,检验模型的适用性.结果表明,该模型具有很好的适用性,能够有效抑制随机漂移,提高光纤陀螺精度,可以作为惯导系统卡尔曼滤波器状态变量的数学模型.      

磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析

针对磁悬浮控制敏感陀螺(MSCSG)空间应用问题,研究其多自由度角动量包络模型。依据MSCSG的机械结构,分析磁悬浮转子径向万向偏转特性,明晰MSCSG轴向一个自由度转子转速变化飞轮力矩和径向两自由度转子万向偏转陀螺力矩输出机理。基于洛伦兹力磁轴承(LFMB)原理,分析径向偏转力矩与控制电流的线性关系,揭示MSCSG陀螺力矩高精度高带宽的优势。考虑转子径向偏角和轴向转速饱和问题,基于重构偏角和旋转矩阵构建MSCSG角动量包络模型。仿真分析了MSCSG径向偏转力矩高精度高带宽、轴向飞轮力矩高精度的特性。开展MSCSG偏转力矩高带宽性能测试,实验验证MSCSG能够输出大于100 Hz的径向偏转力矩。研究结果表明,MSCSG具有航天器高动态微振动抑制和高精度姿态控制的空间应用前景。     

基于角加速度的陀螺框架伺服系统干扰观测器

磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG,Magnetically Suspended Control Moment Gyro)是大型航天器姿态控制的关键执行机构,影响MSCMG输出力矩准确度的一个关键因素是其框架伺服系统的控制精度.为提高MSCMG框架伺服系统的抗干扰能力和控制精度,提出了一种基于角加速度的干扰观测器.其设计思想是:卡尔曼滤波器利用角位置估计出角速度并送往状态观测器以获取准确的角加速度,角加速度和电流作为干扰观测器的输入以获得补偿电流,补偿电流加到电流环的输入端以补偿各种干扰.干扰观测器结构简单,抗干扰能力强.实验表明:该方法有效地提高了MSCMG框架伺服系统的角速度精度与稳定度.     

光纤陀螺随机调制的理论分析及实验

偏置稳定性是描述陀螺性能的重要指标,而电路中的交叉干扰是导致陀螺输出漂移的重要原因.采用随机调制的方法能够减小陀螺中交叉干扰产生的输出漂移.采用快速傅立叶变换(FFT)的方法对方波调制和随机调制产生的交叉干扰进行了分析,分析结果表明,采用方波调制时,交叉干扰与方波同频,无法滤除,导致陀螺输出的偏置误差以及陀螺输出对光强的依赖性;而采用随机调制,交叉干扰与方波频率不同,能够滤除,从而减小交叉干扰带来的随机漂移.采用的随机调制为-3π/2,-π/2,π/2,3π/2调制,能够保证陀螺工作点在灵敏度最高的偏置点上,其频谱主要成分为方波基波的偶次谐波,通过陀螺电路中的滤波,能够将其滤掉,消除交叉干扰对陀螺输出带来的干扰.对方波调制和随机调制分别进行了实验,通过实验,证明了该方法的正确性,得到了随机调制能够抑制光纤陀螺中由于交叉干扰产生的输出漂移的结论.     

位标器陀螺转轴静平衡测试系统设计

为了对位标器陀螺转轴的静不平衡量及其分布的角位置进行测试,研制了一种位标器陀螺转轴静平衡测试系统.该系统通过调整夹具的方向使得位标器的被测轴与转台水平轴平行安装,测控系统驱动转台依次转至预先设定的36个锁定角位置处,在每个锁定角位置处,由伺服控制信号锁定位标器的两个轴后,驱动另外一个被测轴进行正弦小角度转动,通过对被测轴驱动电流测量量的多周期积分就可以得出被测轴此时的静不平衡力矩.转台顺次转过一周后,通过对被测轴所测36个静不平衡力矩及转台锁定角度的最小二乘拟合,可以确定出被测轴的静不平衡量大小及其分布的角位置.最后进行了加载实验及其重复性测试实验,结果表明该测试系统重复测量的静不平衡量测试精度能达到±0.25 mN·m,角位置测试精度能达到±2°,具有较高的测试精度.      

MEMS陀螺阵列的RCC-OBE估计融合方法

为提高微机电系统（MEMS）陀螺的精度,提出一种基于松弛Chebyshev中心（RCC）的最优定界椭球（OBE）算法,并用于陀螺阵列信号的融合。以单个陀螺误差输出模型为基础,建立了阵列系统的机动融合模型;由于噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,运用OBE算法实现角速率信号的稳健估计;在OBE算法中,往往采用椭球几何中心作为真实值的点估计,但该中心并没有理论上的最优特性,而可行集的Chebyshev中心具有很多优良特性,同时,考虑到准确的Chebyshev中心求解十分困难,转而求解可行集的RCC,作为速率信号的点估计,设计了以RCC作为输出的OBE更新过程和新的参数优化准则。采用6个陀螺构成的阵列进行了验证试验,结果表明基于该算法的阵列估计融合方法在获得角速率保证边界的基础上,可以进一步提高MEMS陀螺精度。      

基于近场散射的颗粒粒径分布测量

针对传统的前向小角散射粒径测量系统中心光过强、杂散光干扰、散射角过小等缺点,本文采用一种新型的近场散射(NFS)方法测量前向小角散射光,研究并搭建了基于近场散射的颗粒粒径测量系统,将最大散射角提高到40.5°;在无需空白测量的情况下采用差分方法对透射光和散射光干涉成的散斑图像进行处理,有效去除中心光和杂散光的影响;对差分散斑图像进行快速傅里叶变换(FFT)频谱处理得到散射光强分布,利用Chahine算法对颗粒粒径进行了反演。最后,利用已知粒径(39.2μm和67.3μm)的标准颗粒对测量系统的准确性进行了单峰分布的验证,测量误差在5%之内;对于粒径为39.2μm和67.3μm的混合颗粒进行了双峰分布验证,在43.3μm和74.1μm处出现峰值,测量误差在10%左右。     

MEMS陀螺噪声理论与模型综述

工作在闭环检测模式下的MEMS陀螺具有较好的整体性能,是目前具有发展潜力的微陀螺方案之一。但是多个闭环的存在使得测控系统噪声源变多,通过构建噪声模型可以量化各噪声源对零偏输出的贡献,并且探明结构和电路参数对噪声性能指标的影响,从而调整设计参数与控制方式,优化设计。首先阐述了MEMS陀螺谐振系统中的噪声源———热噪声和闪频噪声产生机理,然后将陀螺噪声模型分为相位噪声模型和幅度噪声模型,分别讨论国内外研究机构噪声建模的进展,如针对幅度频率耦合导致的额外相位噪声,讨论了非线性相位噪声模型和幅度噪声模型。非线性相位噪声模型通过引入非线性刚度来完善相位噪声谱表达式,幅度噪声模型通过考虑不同输入点的噪声在力平衡环路的传递过程来量化各噪声源影响因素。最后,对噪声模型的发展进行了展望,可以通过构建与调幅陀螺相联系的相位噪声模型和零偏不稳定性噪声模型,实现对陀螺噪声分析的完善。     

一种MEMS陀螺随机漂移的高精度建模方法

为补偿MEMS陀螺随机漂移,采用时间序列分析法对其进行自回归滑动平均（ARMA）模型辨识,提出一种滑动平均（MA）参数估计的新方法。先将陀螺随机漂移建模为带观测噪声的ARMA模型,在估计出自回归（AR）部分的参数后,针对AR滤波后的残差,推导出一种方差小的MA自协方差估计值,并将该估计值作为输入,利用Gevers-Wouters（GW）算法估计出MA部分的参数。仿真结果表明,MA参数估计精度得到提升的同时,参数估计可靠性也得到了增强。MEMS陀螺的随机漂移补偿实验进一步验证本文所提算法的补偿精度高于改进前。      

基于掺铒超荧光光纤光源的高精度光纤陀螺

针对高精度光纤陀螺的需求,采用一种在1?550?nm波段长波反射的截止型薄膜滤波器研制出高性能的掺铒超荧光光纤光源,通过仿真确定了滤波器的特征参数,在-40℃~+60℃的温度范围内,光源中心波长稳定性为2.58×10^-6℃,输出功率稳定性优于1％.研究了这种光源的强度噪声,并采用一种噪声相减技术对光纤陀螺的噪声进行抑制,光纤陀螺的随机游走系数减小约20％.在此基础上,研制出高精度闭环全保偏光纤陀螺样机.Allan方差分析显示,研制出的样机零漂为0.004?5(°)/h、随机游走系数为0.003?5(°)/h ^{1 2} 、标度因素误差小于11×10^-6,已能满足高精度陆用惯性系统的要求.     

A two-position SINS initial alignment method based on gyro information

This paper presents a method to improve the accuracy of and reduce the time needed for the initial alignment of strapdown inertial navigation systems. The new method is based on the conventional two position method enhanced by the use of gyro information. After presenting the problem of initial alignment and identifying the key issues – low accuracy and long convergence time, the paper introduces the two position method showing the improvement of performance but not on convergence time. By using gyro information in the new method, precision is improved and time for alignment reduced. The discussion is illustrated with simulations.