一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法技术

本发明专利技术一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，属于导航仪器技术领域，包括以下步骤：对光纤陀螺仪分别进行低温冲击下的零偏漂移试验与标度因数误差试验，采集、计算低温冲击下的零偏漂移与标度因数误差；将零偏漂移试验与标度因数误差试验的光纤陀螺仪温度、温度梯度以及温度变化率等变量构成的温度向量作为LSTM神经网络的输入量，以标度因数误差、零偏漂移构成的误差向量，作为LSTM神经网络的输出量，进行训练，获得描述温度向量与误差向量关系的神经网络模型，对光纤陀螺仪的零偏漂移与标度因数误差进行补偿。本发明专利技术对光纤陀螺仪在低温冲击环境下的零偏漂移与标度因数误差进行建模，模型针对性强、变量全面，提高了角速度测量精度。测量精度。测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法


[0001]本专利技术属于导航仪器
，尤其是涉及一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法。

技术介绍

[0002]机载导航为安装在飞行器上的各种导航设备的统称，用于测量飞行器的实时姿态、速度以及位置等运动参数。是引导载机安全飞行、完成预定作战任务的重要电子设备，对飞行器预定轨迹、自身姿态检测具有关键作用。机载导航按照工作原理分为无线电导航设备、天文导航设备、惯性导航系统和组合导航系统。其中，惯性导航系统具有短期精度高、覆盖范围广、隐蔽性高等优点，相较于其他导航设备，惯性导航不依靠外界提供的信息，也不需要向外界辐射能量，只依靠自身的惯性器件完成工作。此外，惯性导航系统可以通过惯性原件输出角速度、角加速度、线速度、线加速度等数据，比卫星导航提供的数据更加丰富。
[0003]光纤陀螺仪是通过测量两束光的光程差来得到旋转角度或角速度的传感器，基于萨格奈克(Sagnac)效应，在闭合光路中，自同一个光源出发的两束光线，以相反方向相对传播，最终会汇合到同一个探测点，两光束会在该点产生干涉。若该闭合光路在光束传播的过程中有相对于惯性空间的旋转，则两光束将产生光程差，此差值与闭合光路旋转角速度成正比，通过探测器测量两光束的相位差即可计算出光路的旋转角速度。光纤陀螺仪具有结构简单、启动快、功耗低、耐冲击、精度覆盖面广和动态范围大等优点，主要用来精确测量载体的角速度，目前已被广泛应用于惯性导航系统和伺服跟踪系统等领域，包括近、中程导弹、舰艇、反潜武器以及卫星和宇宙飞船等航空、航天、航海和兵器等。
[0004]光纤环作为光纤陀螺仪中对温度最为敏感的器件，在外界温度变化时会偏离原来的工作状态。例如在飞行器从地面到高空爬升过程中，需要面临环境温度从常温急速下降到
‑
40℃以下，再从低温到高温巨变的情况，由于光纤陀螺仪含有受温度影响较大的光电器件，在温度剧烈变化时，各光电器件的光电特性随之发生变化，进而影响到光纤陀螺仪的零偏与标度因数。零偏是指光纤陀螺仪在输入角速度为零时的输出，在外界温度变化或者陀螺内部元件产热时，零偏会发生变化从而影响光纤陀螺仪的输出精度，成为是光纤陀螺仪技术发展中被普遍关注的“瓶颈”问题。温度变化时，光纤环中的两束干涉光会产生非互易相移，当光纤环中存在某段光纤温度场不均匀分布的时候，表示有温度差存在。若有温度差的部分偏离光纤环的中心，当两束反射光传播时经过这段，则会导致非互易相移现象的出现，两束光产生的干涉响应无法分离开，因此会存在偏置误差，将严重影响到光纤陀螺仪的零偏稳定性。目前降低零位漂移的主要方法为降低零偏误差，通过采用从光纤长度的中点对称缠绕的方式制作光纤环，很大程度上解决了温度变化时产生的非互易性相移。但实际中，对称式缠绕只在一定程度上解决了光纤环几何长度上的对称，两束光的实际光程并不能做到完全对称，温变时产生的非互易性相移仍旧存在。对惯性级以上的高精度光纤陀螺仪而言，必须进行温度补偿，但现有工艺条件下，光纤陀螺仪的Shupe系数往往存在非线性，给温度补偿带来困难。
[0005]同时，光纤陀螺仪标度因数是通过检测相位得到载体旋转角速度，与真实的角速度二者之间的换算系数被称为标度因数，标度因数与光源的波长、光纤环的长度和直径相关。标度因数误差会与地球自转角速度耦合产生漂移误差，并在温变情况下产生短时动态误差，或出现逐次启动重复性引起的累积误差，限制了长时间航行导航精度。故在工程应用中，也需要对标度因数进行温度补偿，从而提高其稳定性。
[0006]为改善光纤陀螺仪性能，可通过增加温度控制模块和硬件补偿元件，将运行环境温度稳定在一定范围内，其偏移量取决于温度装置的控制精度，或采用数学建模方法，通过光纤陀螺仪的测试数据寻找规律，在软件中补偿温度误差。但上述方法具有以下缺点：（1）温控：加温过程慢，难以快速响应温度急剧降低的场合。另外，温度剧变激发温控系统快速加热，导致光纤陀螺仪局部温度偏高，形成温度梯度，带来新的无法预知的误差，（2）隔热材料：机载导航设备要求体积小、重量轻，额外的隔热材料除了增加成本，也增加了系统体积，有导致在紧凑的机舱空间无法安装的风险。另外，隔热材料会阻碍高温（地面暴晒）时热流通，器件内部热量无法散出去，（3）数字温补：通过软件实现，简单方便，但建模复杂、参数辨识困难。尤其在批量生产光纤陀螺仪时，需要找到共性的模型和准确的模型参数。
[0007]可见，现有温度补偿技术受低温冲击这种剧烈温变的环境制约较大，若仅考虑温度对陀螺零偏或者温度对陀螺标度因数的影响，可使用最小二乘法等线性拟合方法对陀螺的温度特性进行建模与补偿，但对非线性的温度漂移修正效果较差。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的问题是提供一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，主要解决机载导航系统在低温冲击(>10℃/min)环境下，光纤陀螺仪的零偏漂移与标度因数误差大的问题。本专利技术在低温冲击环境下，对光纤陀螺仪的零偏漂移与标度因数误差进行了建模与补偿，降低了成本，提升了光纤陀螺仪的精度与稳定性。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，包括以下步骤：S1、在低温冲击条件下，对光纤陀螺仪分别进行零偏漂移试验与标度因数误差试验，采集、计算低温冲击下的零偏漂移与标度因数误差，S2、利用步骤S1中的一组零偏漂移试验与标度因数误差试验的光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪温度梯度以及光纤陀螺仪温度变化率构成的温度向量为LSTM神经网络的输入量，以标度因数误差、零偏漂移构成的误差向量作为LSTM神经网络的输出量，对LSTM神经网络进行训练，获得一组描述温度向量与误差向量关系的神经网络模型，利用所述神经网络模型对光纤陀螺仪的零偏漂移与标度因数误差进行补偿。
[0010]进一步地，在步骤S1中，所述零偏漂移试验，包括以下步骤：S111、将光纤陀螺仪置于转台温箱的转台中，转动转台令光纤陀螺仪敏感轴指东，光纤陀螺仪通电，上位机开始采集光纤陀螺仪测量的角速度数据与光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪外部温度，S112、设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，进行低温冲击试验，S113、待低温冲击试验结束后，设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平
衡状态后，上位机结束保存数据，所保存数据为低温冲击环境下光纤陀螺仪的零偏漂移数据，S114、重复多次步骤S111至步骤S113，获得多组光纤陀螺仪温度与零偏漂移数据。
[0011]进一步地，在步骤S1中，所述标度因数误差试验，包括以下步骤：S121、将光纤陀螺仪置于转台温箱的转台中，令光纤陀螺仪轴向沿竖直方向设置，设定转台转速为20
°
/s，光纤陀螺仪通电，上位机开始采集光纤陀螺仪测量的角速度数据与光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪外部温度，S122、设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，进行低温冲击试验，S123、待低温冲击试验结束后，设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，上位机结束保存数据，S124、设定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、在低温冲击条件下，对光纤陀螺仪分别进行零偏漂移试验与标度因数误差试验，采集、计算低温冲击下的零偏漂移与标度因数误差，S2、利用步骤S1中的一组零偏漂移试验与标度因数误差试验的光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪温度梯度以及光纤陀螺仪温度变化率构成的温度向量作为LSTM神经网络的输入量，以标度因数误差、零偏漂移构成的误差向量作为LSTM神经网络的输出量，对LSTM神经网络进行训练，获得一组描述温度向量与误差向量关系的神经网络模型，利用所述神经网络模型对光纤陀螺仪的零偏漂移与标度因数误差进行补偿。2.根据权利要求1所述的光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，其特征在于：在步骤S1中，所述零偏漂移试验，包括以下步骤：S111、将光纤陀螺仪置于转台温箱的转台中，转动转台令光纤陀螺仪敏感轴指东，光纤陀螺仪通电，上位机开始采集光纤陀螺仪测量的角速度数据与光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪外部温度；S112、设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，进行低温冲击试验；S113、待低温冲击试验结束后，设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，上位机结束保存数据，所保存数据为低温冲击环境下光纤陀螺仪的零偏漂移数据；S114、重复多次步骤S111至步骤S113，获得多组光纤陀螺仪温度与零偏漂移数据。3.根据权利要求1所述的光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，其特征在于：在步骤S1中，所述标度因数误差试验，包括以下步骤：S121、将光纤陀螺仪置于转台温箱的转台中，令光纤陀螺仪轴向沿竖直方向设置，设定转台转速为20
°
/s，光纤陀螺仪通电，上位机开始采集光纤陀螺仪测量的角速度数据与光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪外部温度；S122、设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，进行低温冲击试验；S123、待低温冲击试验结束后，设置转台温箱温度为室温，待光纤陀螺仪达到热平衡状态后，上位机结束保存数据；S124、设定转台转速为
‑
20
°
/s，上位机开始保存数据，转台温箱温度设置与步骤S122、步骤S123相同；S125、设定转台转速为0
°
/s，上位机开始保存数据，转台温箱温度设置与步骤S122、步骤S123相同；S126、利用平滑滤波对所得数据进行平滑滤波预处理，再利用最小二乘法求取每一个时间点的标度因数，所求标度因数与常温下的标度因数差值为低温冲击环境下陀螺的标度因数误差；S127、重复多次步骤S121至步骤S126，获得多组光纤陀螺仪温度与标度因数误差数据。4.根据权利要求1所述的光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，其特征在于：在步骤S2中，描述温度向量与误差向量关系的LSTM神经网络模型的建立与训练包括训练集数据预处理和训练LSTM神经网络。5.根据权利要求4所述的光纤陀螺仪低温冲击误差补偿方法，其特征在于：所述训练集
数据预处理，包括以下步骤：S211、分别对光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪外部温度以及零偏漂移、标度因数误差进行平滑均值滤波：设置平滑时间窗口为100s；S212、求取光纤陀螺仪温度变化率：ΔT
in
= T
in
(t)
‑
T
in
(t
‑
60s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式（1）中，T
in
(t)为光纤陀螺仪当前时刻温度值，T
in
(t
‑
60s)为光纤陀螺仪60 s前的温度值；对式（1）其进行平滑均值滤波，平滑时间窗口设为100 s；S213、求取光纤陀螺仪温度梯度：（2）式（2）中，是光纤陀螺仪温度，是光纤陀螺仪外部温度；对式（2）进行平滑均值滤波，平滑时间窗口设为100s；S214、分别对光纤陀螺仪温度、光纤陀螺仪温度梯度、光纤陀螺仪温度变化率以及零偏漂移、标度因数误差值通过下述公式进行归一化处理，（3）式（3）中，T
in_nol
为光纤陀螺仪温度归一化值，T
in
为光纤陀螺仪温度，T
in_min
为光纤陀螺仪温度最小值，T
in_max
为光纤陀螺仪温度最大值；（4）式（4）中，
nol
为光纤陀螺仪温度梯度归一化值，为光纤陀螺仪温度梯度，

【专利技术属性】
技术研发人员：任永甲，何昆鹏，蒋昱飞，赵瑾玥，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：