加速度计高阶误差模型系数的标定方法

为了在精密离心机上准确标定加速度计的高阶误差模型系数,必须获得精确的比力输入。在分析了精密离心机动静态位姿误差对作用在加速度计输入轴上的向心加速度和重力加速度影响的基础上,采用坐标变换的方法精确计算了加速度计三个轴上的实际比力输入。加速度计在离心机上采用正倒置2位置安装方法,由离心机产生三个不同的比力输入,根据测量得到的加速度计输出数据,给出了加速度计高阶项误差模型系数的标定方法。此方法在加速度计误差模型标定中,补偿了离心机动态半径误差、动态失准角误差以及哥氏加速度对比力的影响,提高了加速度计高阶项误差模型系数的标定精度。对于其它项误差模型系数,可以采用改变安装方式的方法进行标定。     

正交双加速度计两种安装位置在重力场中的标定方法

为了提高加速度计在1g重力场中的标定精度,分度头的角位置误差应非常小或将它有效地分离。提出了一种将正交双加速度计在分度头上,进行两种安装位置组合测试的方法。推导了加速度计误差模型系数的标定误差与分度头角位置误差成分的关系,设计了两种安装位置组合测试方法,从加速度计的输出中可分离分度头的角位置误差,提高加速度计误差模型系数的辨识精度,对试验数据进行误差分析后验证了该方法的正确性。     

基于双离心机的正弦加速度数学模型的建立

基于双离心机的线加速度计动态校准是加速度计动态校准的一种新方法,该校准方法的核心是在被校加速度计检测质量的质心处产生标准的动态加速度,如正弦加速度。文中通过推导建立了基于双离心机的正弦加速度数学模型,为线加速度计的动态校准提供了理论依据。介绍了双离心机的组成原理,分析了被校加速度计检测质量质心处绝对加速度的来源,并采用矢量合成法对相对加速度、牵连加速度和哥氏加速度进行合成得出了绝对加速度的表达式,建立了基于双离心机的正弦加速度数学模型。文中还对基于双离心机的线加速度计动态校准装置和线振动台进行比较,指出了前者在线加速度计动态校准中的优点。     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

石英挠性加速度计温度建模和补偿

为降低环境温度对石英挠性加速度计测量精度的影响,从工程应用角度设计了加速度计温度建模试验环境和试验方法.为加速度计设计独立的温控装置,验证了加速度计温度特性具有重复性的基础上,在多个温度点下采用四位置翻滚试验对加速度计进行标定,利用线性拟合方法建立了加速度计零偏和标度因数的温度模型.应用该模型对加速度计进行温度补偿后,可使加速度计的测量稳定性精度提高5.55倍.将所建温度模型应用于捷联式惯性导航系统中,可有效提高系统的导航精度.     

一种冲击加速度计校准新方法

冲击加速度计校准的传统方法有绝对法、相对法和比较法。综合相对法和比较法的优点,提出了一种校准冲击加速度计的新方法类比法。其标准加速度传感器可采用绝对法直接溯源到国家基准,并在同条件冲击作用下通过标准加速度传感器和被校加速度传感器互换,根据冲击力或动应变测量结果对被校加速度传感器幅值灵敏度、线性度与频率响应等技术参数进行校准,从而弱化了冲击力或动应变测量结果对冲击加速度校准的影响,测量准确度高。     

激光陀螺捷联系统高精度加速度计非线性模型参数标定

为克服激光陀螺捷联系统内减振变形引入的加速度计测量误差,建立以陀螺敏感轴为约束的IMU机体坐标系。针对零偏稳定性优于5×10?6g的高精度加速度计非线性项误差不可忽视的特点,提出加速度计非线性测量模型。基于角位置精度为5″的三轴转台,采取最小二乘分步辨识的思想,借助线性化方法,首先正交多位置转台转动辨识出加速度计的二次项系数,再倾斜转台多位置辨识出加速度计的交叉耦合项系数。实验结果表明,转台正交位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的9.38%,且3次实验得出的由模型二次项系数引入的测量误差的最大标准差为8.53×10?7g;转台倾斜位置时,基于非线性模型的加速度计重力值测量误差的标准差减小至线性模型的31.41%,且3次实验得出的由模型交叉耦合项系数引入的测量误差的最大标准差为1.14×10?6g,从而实现高精度加速度计的精确标定。     

加速度计误差系数对拟合残差的影响及试验分析

为了提高加速度计的测试精度,针对加速度计在重力场的试验,分析了加速度计误差模型中误差系数对辨识拟合残差的影响.通过石英挠性加速度计的三十六位置翻滚试验,利用最小二乘参数估计后,根据残差曲线的规律性形状确定了加速度计误差模型中存在零偏不对称项和标度因数不对称项,从而进一步完善误差模型.试验结果表明,被测加速度计的零偏不对称项和标度因数不对称项对辨识结果影响很大,加入到误差模型中拟合残差标准差从原来的1.1×10-5g提高到 7×10-6g左右,精度明显得到改善.     

惯导平台漂移误差参数估计的方案设计与仿真研究

本文研究了惯导平台漂移误差模型的参数辨识技术.平台漂移的误差源主要包括惯性器件的输出误差及其安装误差等,在测漂过程中让平台先后处在几个不同的位置,使各种误差源都能受到重力的激励.取加速度计或框架角的测量值做为系统的输出.框架角和误差系数都被定义成了状态变量,这样参数辨识问题就转化成了对状态变量的估计.由于状态和观测方程都是非线性的,故采用了扩展的卡尔曼滤波器.本文设计了六位置方案,进行了仿真.结果表明,该方案可以获得较好的辨识效果.     

基于矢量分解原理的三轴加速度计同步冲击标定方法

如何沿空间三坐标轴方向激励能够被准确追溯和计量的三分量同步冲击载荷是三轴加速度计标定技术中的核心和关键。为实现对大量程(10²g～10⁴g)三轴加速度计的同步冲击标定,采用跌落台配合冲击放大器激励沿竖直方向的单轴冲击载荷,借助设置有倾斜面的砧座并基于矢量分解原理,将沿竖直方向激励的单轴冲击载荷分解到以特定姿态安装的三轴加速度计的各敏感轴上,以此实现了三分量冲击载荷的同步激励与三轴加速度计的同步冲击加载。采用高速相机结合MATLAB图像处理的方法,对冲击标定过程中三轴加速度计各敏感轴输入的加速度进行了计量。基于最小二乘原理与矩阵微分,对同步标定中三轴加速度计包含主灵敏度系数与轴间耦合灵敏度系数的灵敏度矩阵进行了求解。对单轴依次标定和同步标定后三轴加速度计的泛化测量精度进行了对比。研究结果表明：采用基于矢量分解原理的同步冲击载荷激励方法可实现对三轴加速度计各敏感轴的同步冲击加载;基于高速相机与MATLAB图像处理的测量方法作为一种绝对光学测量法应用于加速度计冲击标定中,对加速度的测量具有可行性和有效性;同步标定相对单轴依次标定可提升三轴加速度计的...     

外场条件下激光捷联惯组多位置标定方法精度分析

从标定算法误差和位置编排对标定精度的影响两个方面对外场激光惯组多位置标定方法的标定精度进行了分析。证明多位置标定中由粗对准姿态角代替精确姿态角所产生的误差为二阶小量,而对加表等效天向误差和陀螺等效北向误差的估计误差会直接影响标定精度。数学仿真表明对于加表零偏10-4g,加表标度因数10-4和陀螺零偏10-2 deg/h数量级的激光惯组,该多位置标定方法的估计精度高于相应误差参数本身2个数量级,说明该方法具有较高精度。在优化位置和非优化位置条件下,多位置标定方法精度的仿真结果在同一个数量级,说明该多位置标定方法对位置编排不敏感。     

光纤捷联惯导系统高阶误差模型的建立与分析

针对多位置标定算法中利用的陀螺和加表的误差模型,在捷联惯导系统误差传播方程中,考虑陀螺和加表的标度因数误差和安装误差,建立了一种高阶误差模型。为了评价该模型的准确性,将其与不考虑标度因数误差和安装误差的模型比较,设计了系统静态和动态仿真实验。在系统静态仿真中,分别加入陀螺漂移和加表安装误差,而在动态仿真中同时加入各项误差项,求取以这些误差项为初值的模型微分方程的解,使其与惯导系统输出误差进行比较。仿真结果发现,建立的高阶误差模型比不考虑标度因数误差和安装误差的模型精度高出约三个数量级。     

低成本IMU的多位置旋转现场标定方法

针对低成本IMU的系统误差难以现场快速标定问题,提出了一种无需任何外部设备辅助的多位置旋转现场标定方法。该方法通过比力加速度与重力建立加速度计的误差模型,基于动态旋转以及标定后的加速度建立导航方程实现陀螺仪误差建模,使用改进的LM算法,实现低成本IMU误差参数的快速标定。实验结果表明:该方法可以有效地标定出加速度计和陀螺仪的安装误差、缩放因子和零偏误差,极大地简化了标定的过程,标定补偿后的IMU原始数据质量大幅提高,在100 s的静态导航试验中,x、y、z的定位精度分别从2541.547m、895.191m、7267.507m提升至80.229m、41.430m、99.832m。     

精密离心机主轴回转误差对加速度计输入精度的影响

介绍了用4个位移传感器法测试精密离心机主轴径向回转误差和倾角回转误差的方法，计算了主轴回转误差中一次谐波，它包括圆锥运动和一次谐振运动，对一次谐波如何影响精密离心机中的向心加速度及其在加速度计坐标系下的分配作了详细分析，同时对重力加速度分配的影响也作了详细的分析。最后得出了被测加速度计的输入加速度的平均值的补偿方法，进一步提高了加速度计的输入精度。通过对离心机主轴回转误差运动的检测和测试，定量分析了对加速度计输入精度的影响，有助于提高加速度计的标定精度。     

静电加速度计标度因数和零偏误差标定

为了确保静电加速度计长期在轨工作,结合非线性Batch估计算法,研究了静电加速度计标度因数和零偏误差标定。首先,充分考虑静电加速度计量测过程中可能出现的各种误差源并进行分析,建立了静电加速度计在动态设计良好并进入稳态后,卫星姿态稳定度优于0.01°/s,卫星质心保持精度优于2mm的情况下的量测模型。然后,将高精度地球引力场模型和静电加速度计量测数据代入非线性Batch估计算法的的动力学方程中,将GPS量测数据代入非线性Batch估计算法的量测方程中,建立了静电加速度计标定因数和零偏误差标定模型。最后,通过数学仿真验证了该方法的可行性,其标定精度可达到0.2%,具有一定工程应用参考价值。     

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。     

基于遗传算法的加速度计免转台标定方法

针对现有的加速度计标定方法依赖于昂贵的仪器设备,导致标定成本高,提出一种低成本、操作简单的加速度计免转台标定方法。该方法通过对原始数据进行预处理,将标定问题转化为优化问题,采用遗传算法进行最优化求解得到补偿参数。通过对比试验得到:两种方法的标定相对误差在0.5%(标度因素)、3%(零偏);两种方法标定后通过加计姿态角提取的水平角误差在0.2°左右。结果表明,加速度计通过该方法经过补偿后,能够得到与传统转台标定方法相同数量级的测量精度,该方法可以有效替代传统标定方法,简化标定步骤,降低标定成本,具有重要的理论及使用价值。     

激光陀螺捷联惯导系统尺寸效应参数标定与优化补偿

提出一种捷联惯导系统尺寸效应标定补偿方法,先标定出捷联惯导系统中每个加速度计相对于三轴转台回转中心的杆臂参数,再基于尺寸效应误差最小原则,对载体坐标系原点位置进行优化,得出相应的尺寸效应参数。对于零偏稳定性优于2×10^-5g的加速度计,杆臂参数与尺寸效应参数标定重复性优于0.2mm。将载体坐标系原点置于三轴转台回转中心,以重力加速度g为基准验证标定补偿效果,转台匀速转动情况下,补偿后10min平均偏差小于2×10^-6g。根据激光陀螺角增量采样值求出角速度和角加速度,对惯导实验中的尺寸效应进行补偿,在转台角运动条件下纯惯性导航1h定位误差由尺寸效应补偿前的1600m减小到补偿后的300m以内。     

简化超球体SRUKF的GPS/MIMU组合姿态估计

针对加速度计、磁强计易受机动加速度和周围环境影响的问题,提出了一种单基线GPS/MIMU组合姿态估计方法。该方法利用单基线GPS天线代替磁强计提供航向信息,并利用GPS的速度信息对加速度计输出的机动加速度分量进行补偿,构成单基线GPS/MIMU组合姿态确定单元。同时考虑实时性要求,在SRUKF的基础上,引入加性非扩展形式和超球体单形采样,提出了简化超球体平方根UKF算法,通过减少状态维数和采样点的数量,降低算法计算量。建立加性噪声下的单基线GPS/MIMU姿态模型,并采用简化超球体平方根UKF算法进行姿态估计。实验结果表明,单基线GPS的速度信息可以有效提高加速度计对水平倾角的确定精度,姿态估计算法收敛后的最大误差小于0.8°,估计精度与UKF相当,且执行时间仅是UKF的42%。