一种石英挠性加速度计非线性误差系统级标定方法

为提高大过载高动态环境下捷联惯导系统导航精度，需对捷联惯导系统中的石英挠性加速度计非线性误差参数进行精确标定。针对现有标定方法在加速度计非线性误差参数发生变化时无法满足免拆卸高精度标定的问题，设计了一种基于双轴精密离心机和捷联惯导系统转位机构交替旋转、依靠转位机构实现9位置标定路径的系统级标定方法。经理论分析和仿真验证，所提方法可实现加速度计二次项、交叉耦合项共九个非线性误差参数系统级高精度标定，二次项误差参数标定精度优于1.0×10^-6 g/g²，交叉耦合项误差参数标定精度优于1.5×10^-6 g/g²。     

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。     

基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法

传统光纤陀螺温度误差采用单一模型进行建模与补偿,存在模型适配性较差的问题。考虑到光纤陀螺在不同温度区间的温度特性存在明显差异,为提高光纤陀螺温度误差补偿精度,提出了基于多模型分段拟合的光纤陀螺温度误差补偿方法。设计了-15⁵0℃区间内温度实验,在大量实测数据分析基础上,将陀螺温度特性按照低、中、高三个温度区间,分别建立三种不同阶次的温度误差模型。采用分段拟合的方法进行误差建模,并利用所建模型对光纤陀螺进行了温度误差补偿。实测数据表明,提出方法能够有效改善光纤陀螺的温度漂移,补偿后漂移标准差减少66.67%。     

陀螺加速度计线振动台进动整周测试方法

为了提高陀螺加速度计在线振动条件下的标定精度,提出了陀螺加速度计在线振动台上的进动整周期的测试方法。该方法将陀螺加速度计正倒置安装后,在静态和线振动状态下分别测量陀螺加速度计进动整周期中的相关时间数据,计算出陀螺加速度计进动整周期的平均角速率,通过平均角速率与陀螺加速度计模型输出间的积分关系,推导出了陀螺加速度计在线振动台上的标定误差模型,辨识出了加速度计的零偏、标度因子、二次项系数和三次项系数。该方法抑制了陀螺加速度计输出的平均角速率误差,能够提高陀螺加速度计在线振动台上测试的精度。最后进行了算法验证,验证了该方法能够准确的辨识出加速度计的各项误差模型系数,辨识精度达到10?7,提高了陀螺加速度计在线振动台上的标定精度。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

陀螺寻北仪中测量信号的在线建模与滤波

针对光纤陀螺寻北仪中光纤陀螺(FOG)和加速度计的随机误差,采用改进型二阶自回归AR(2)模型,在线建立了光纤陀螺和加速度计随机误差模型。根据该模型,建立了FOG陀螺寻北仪的12阶Kalman滤波器,实现了两个FOG和两个加速度计测量信号在寻北过程中的实时滤波。仿真、Allan方差分析与寻北试验结果表明:FOG信号中随机游走、零偏不稳定性、变化率随机游走、变化率斜坡和量化噪声五项噪声源误差系数都小于滤波前的二分之一;在减小光纤陀螺和加速度计测量信号中的随机误差,提高其精度的同时,FOG寻北仪的寻北误差减小了0.3 mil。     

一种低精度惯性测量单元的精确标定技术

低精度惯性测量单元的温度特性和非线性严重，为补偿光纤陀螺的温度特性和非线性，通过高低温、多速率的标定实验研究了光纤陀螺输出电压与温度、转速的关系，采用零偏和标度因数统一标定的思想提出了光纤陀螺分段模型；为补偿MEMS加速度计的温度特^陛，通过高低温位置实验研究了加速度计输出电压与温度、输入加速度的关系，提出了加速度计分段模型。采用逐步线性回归对以上模型进行了简化。实时补偿效果表明，当温度从-30℃到60℃变化时，在±60（°）／s转速内角速度误差基本小于0．02（°）／s，加速度误差小于0．005g．     

滤波技术在MIMU温度漂移补偿中的应用

为了提高MIMU的零偏稳定性,研究了MIMU的温度特性.通过温度实验,建立了微机械陀螺及加速度计漂移的温度补偿模型.陀螺零偏稳定性由补偿前的126.324(°)/h改善到9.612(°)/h,加速度计偏值稳定性由补偿前的0.8 36 mg改善到0.216 mg.分析了温度测量噪声的影响,对补偿模型进行了改进.将温度的测量值经过KaIman滤波之后用于补偿,可以进一步提高性能:陀螺零偏稳定性由9.612( °)/h改善到8.964( °)/h,改善了6.7%;加速度计偏值稳定性由0.216 mg改善到0.176 mg,改善了18%.实验结果表明,将温度测量值进行适当的滤波处理后用于补偿模型,补偿效果比不经过处理进行补偿的结果更优.利用Kalman滤波技术降低温度测量值的噪声,最终降低补偿结果的噪声也是文中的一个创新点.     

加速度计温度模型的辨识

本文采用最小二乘估计和正交多项式拟合的方法，得到了石英挠性摆式加速度计（精度４×１０－５）模型系数随温度变化的规律，建立了２０℃—５０℃温度范围内加速度计的温度模型。应用该模型进行温度干扰补偿后，使模型辨识精度提高一个数量级。通过大量的重复性试验证明了方法的正确性。     

基于粒子群优化算法的光纤陀螺温度误差分段补偿方法

针对光纤陀螺的温度误差单一模型补偿方法适配性较差的问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的光纤陀螺温度误差分段补偿方法。此方法基于分段建模补偿的思想,在建模时加入温度和温度变化率影响因子,并引入PSO算法极值寻优,得到最优补偿函数。为了验证此方法的补偿效果,设计了?15℃~50℃区间内光纤陀螺温度实验,分别利用所提方法和传统方法对其温度误差进行补偿。试验结果表明,使用所提方法能够极大地降低温度误差,与传统算法相比,在保证补偿后陀螺零偏稳定性一致的前提下陀螺零偏均值降低了一个数量级,并且具有实时补偿性。     

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。     

基于支持向量回归的金属谐振陀螺多元温度补偿方法

针对金属谐振陀螺随温度漂移的问题,提出了一种基于支持向量回归的多元温度补偿方法。首先分析温度、温度梯度及温度变化率对陀螺输出的影响,在此基础上设计全温区实验,采用小波去噪对实验数据进行预处理,然后根据金属谐振陀螺输出特性,综合每次实验陀螺输出的微小变化,选择径向基核函数对实验数据进行特征提取,并基于此建立基于温度、温度变化率及温度梯度的多元补偿模型,剔除非相关项,最终得到金属谐振陀螺多元温度补偿模型。实验结果表明,此方法可有效提高金属谐振陀螺的温度性能,全温区陀螺零偏稳定性提高一个量级以上。     

石英挠性加速度计温度稳定性改进设计

石英挠性加速度计是捷联式惯导、重力梯度计等惯性测量设备的核心元件,其偏值和标度因数的温度稳定性是影响惯性测量设备性能的重要因素。为提高加速度计温度稳定性,从结构设计、材料选择、工艺改进、磁路优化四个方面进行了改进设计。首先,分析了加速度计零偏和标度因数温度稳定性影响机理。其次,设计了摆片隔离槽结构,摆片与骨架之间采用二次过渡粘接工艺,力矩器线圈骨架选用温度性能更好的氮化铝陶瓷材料,优化了上下磁路连接方式。最后,对改进措施进行了实验验证,实验结果表明,改进后的石英挠性加速度计全温条件下（-40℃～+60℃）偏值和标度因数温度系数减小约30μg/℃和10 ppm/℃,降低到6.8μg/℃和13.7 ppm/℃,显著改善了加速度计的温度稳定性。     

外环干扰力矩对陀螺加速度计测试精度的影响

摆式积分陀螺加速度计的外环干扰力矩包括仪表外环轴的摩擦力矩和交叉轴加速度引起的交变力矩。作者分析了引起摆式积分陀螺加速度计外环干扰力矩的主要原因,提出一种在高精度三轴测试转台上分离摆式积分陀螺加速度计外环干扰力,测试摆式积分陀螺加速度计精度的试验方法。该试验采用三轴转台中环转动速度随动摆式积分陀螺加速度计外环进动角速度,同时摆式积分陀螺加速度计陀螺摆的输出轴在整个试验中保持水平,从而分离仪表外环干扰力的方案。通过对试验数据进行分析,得出外环干扰力的存在影响了摆式积分陀螺加速度计测试精度,为改善摆式陀螺加速度计工艺以提高摆式陀螺加速度计的测试精度提供了依据。     

激光陀螺惯性导航系统静态校准方法的研究

介绍了激光陀螺惯性导航系统（ＬＩＮＳ）的误差模型，研究了一种多位置的静态校准方法，通过旋转一个位置分离一个主要变量的方法，逐次分离出加速度计和陀螺的零偏、标度因数误差及不正交角共２０项误差系数并加以补偿。实验研究表明，本方法的校准精度较高，而且时间较短。     

斜置惯性测量单元的一体化标定技术

针对陀螺和加速度计均倾斜安装的低精度惯性测量单元,将三个 MEMS 加速度计组件和三个光纤陀螺组件分别考虑为一个整体,提出了一体化标定技术,将传统的零位、比例因子、安装误差等参数等效考虑为一个转换矩阵。根据实验得到的低精度斜置惯性测量单元的温度特性和非线性的经验公式,提出了补偿温度特性和非线性的一体化标定模型。利用速率转台和大理石平板在不同温度下进行测试,采用多元线性回归,得到了实用的角速度模型与加速度模型。实时补偿效果表明,当温度从 0℃到 24℃变化时,在±60(°)/s 转速内角速度误差小于 0.02 (°)/s,加速度误差小于 0.003g。     

高精度硅微谐振加速度计频率测量输出电路

硅微谐振加速度计是一种频率输出的MEMS仪表,针对其差动频率输出的特点和对静态与动态高精度测试精度的要求,设计并实现了一种高精度频率输出电路,实现了差动频率的实时相减和静态与动态频率信号输出。对电路及仪表的精度进行了测试,测试结果表明,该电路稳定性可达到1×10-9,全温范围内(-40⁺70℃)非线性优于1×10-7,频率分辨率可达到1×10-5,测试精度满足仪表系统精度要求,使仪表更满足工程应用的条件。根据实际工程应用要求,还对该电路提出了抗干扰设计,进一步提高了该电路的工程应用可靠性。     

四频差动激光陀螺三种误差模型对寻北精度的影响

分析了四频差动激光陀螺漂移信号的特性,将陀螺输出的漂移误差信号分为常值漂移误差和随时间变化的一次项、二次项漂移误差,并据此建立陀螺漂移误差模型,分别对陀螺漂移进行零次拟合、一次拟合及二次拟合.针对这些模型结合寻北推导了误差的补偿算法,并通过寻北实验精度比较,验证了不同误差模型的补偿效果.实验结果表明,就本文实验所用陀螺,含二次项误差的模型寻北精度较高,使寻北精度从零次拟合模型的1密位降低到0.5密位.     

三浮陀螺有源磁悬浮系统力学模型分析

有源磁悬浮系统在高过载条件下的工作状态,是影响三浮陀螺和平台系统使用精度的关键因素。针对此问题,分析磁悬浮系统加力的作用机理,对系统的力学模型进行研究。从刚体动力学基本方程出发,以三浮陀螺浮子组件为研究对象,建立了浮子5个受控自由度的动力学关系和浮子运动的状态方程。然后对瞬时冲击力、阶跃常值力和简谐变化力作用下浮子运动规律的进行了分析和计算。仿真结果表明,当三种过载同时作用在浮子上时,磁悬浮系统在闭环状态下浮子位移的稳态值为2.12?m,即浮子最终停在线性区的边缘,不会碰到轴尖,因此不会影响仪表的精度和可靠性。但由于加力的刚度比较小,系统的过渡时间比较长。     

离心机上辨识陀螺加速度计二次项系数的优化试验设计

提出了一种在带有反转平台的精密离心机上标定陀螺加速度计误差模型二次项系数K 2的D-最优试验方案。应用该D-最优试验方案,通过重复试验,能够在测试点最少的情况下获得高测试精度,实现陀螺加速度计误差模型系数的最优(D-最优的)辨识。推导了测量随机误差、试验方案的测试点、测试点的重复测试次数以及误差模型系数方差之间的关系式。精度分析的结果表明,应用D-最优试验方案,采取重复试验的方法,能够有效地减小二次项系数K的估计量的方差,从而提高K的辨识精度。