基于角增量和矢量模值觀測的光纖陀螺溫度漂移參數分段估計

崔加瑞，吳文啟，何曉峰

（國防科技大學智能科學學院，長沙410073）

0 引言

光纖陀螺捷聯慣導系統由于具備可靠性高、壽命長、精度高、工藝相對簡單等優點，被廣泛應用于航空、航天、航海及陸地車輛定位定向等領域，然而其核心部件——光纖陀螺對溫度變化較為敏感，非互易性相移誤差是造成光纖陀螺溫度漂移的主要原因[1]。采用軟件補償溫度漂移的方法可以在不增加硬件成本的條件下提高光纖陀螺的測量精度[1-8]，故其在工程實踐中得到了廣泛應用。由于光纖陀螺在不同溫度段具有不同的溫度特性，分段估計光纖陀螺溫度漂移能夠更為細致地描繪溫漂規律，進而更精確地補償誤差[2]。溫度漂移具有較強的非線性特點，大量基于非線性模型的分段溫度漂移估計方法被提出，主要有:基于多尺度和支持向量機[3]、RBF神經網絡[4]、自適應神經網絡[5]、Elman網絡[6]、粒子群優化算法[7]等。但是總體而言，上述智能算法擬合非線性溫度漂移的方法計算量大，建立模型耗時長且網絡結構設計缺乏理論指導，較為依賴數據和經驗，容易產生過擬合問題，進而導致模型適用性變差，而基于多項式模型來進行溫度漂移估計是如今工程實踐中最為有效的方法[8]。文獻[9]使用分段動態測試插值法得到不同溫度下的陀螺溫度漂移零偏，但是和其他陀螺標定技術一樣，該方法對陀螺零偏的估計依賴高精度轉臺或慣導系統多位置自對準過程[10-14]。然而，針對在分段溫度漂移估計過程中產生的陀螺溫度漂移值在分段區間交接點的不連續性問題 （即參數的邊界條件問題），上述分段補償算法均未進行說明。

針對光纖陀螺在不同溫度段之間由溫漂參數不同導致的誤差不連續問題，本文提出了一種基于角增量和矢量模值觀測的光纖陀螺溫度漂移參數分段最小二乘估計方法。使用低階溫度漂移模型即可實現光纖陀螺捷聯慣導系統中三軸角增量光纖陀螺的溫度漂移補償，同時推導了各溫度段零偏與光纖陀螺溫漂參數的關系，給出了相應的邊界條件。通過地球自轉角速度模值觀測法得到了第一段溫度區間的零偏后，可以得出其他溫度段的零偏，保證了光纖陀螺輸出在各溫度段的連續性。通過溫控轉臺升溫實驗，驗證了本文提出方法的有效性，本文方法的補償效果優于傳統整段最小二乘估計方法。

1 溫度漂移分段模型與邊界條件

由于采用了分段估計，各段內僅需考慮一階模型，建立的光纖陀螺溫度漂移模型如下

式（1）中，假設溫度分為n段，上標j表示第j段溫度區間，為IMU中陀螺s的光纖環測量溫度，T0s為基準點溫度。為簡便起見，可以令，即T0s為第一段溫度區間的起始溫度，為第j溫度段的溫漂系數，為第j段溫度區間內的等效陀螺零偏，由此得到的分段溫度漂移曲線如圖1所示。

圖1 光纖陀螺分段溫度漂移曲線Fig.1 Curve of FOG segment thermal drift

由圖1可知，分段溫度漂移估計需要滿足在交接點的邊界條件，必須使前后兩段溫度漂移模型計算的漂移值相同，即具有相同的零偏。各溫度段零偏邊界條件為

當溫度梯度不同 （即溫度變化速率不同）時，也可以保證零偏的差值相同，即保證了對于不同溫度變化情況零偏值的一致性，這有利于在工程實踐中進行補償。

2 光纖陀螺誤差參數估計

2.1 基于角增量的最小二乘溫度漂移分段估計方法

考慮邊界條件，將各溫度段的零偏通過第一個溫度段的零偏表示，式（1）可改寫為

本文慣導系統的光纖陀螺為角增量陀螺，將一段時間 （tj，m+1，tj，m）內的陀螺角增量輸出進行累加，能夠得到包含溫度漂移的角速率積分增量，將其除以積分時間可以得到等效陀螺角速率輸出，如下所示

式（9）中，各符號含義如下

式（10）中，Mj為第j個溫度段的積分時間段數量，方程組數量大于2n+1，即可通過最小二乘法求得除常值零偏以外的各個軸向陀螺溫度模型的2n個參數，至此解決了各溫度區間溫度漂移的連續性問題。接下來，將使用基于地球自轉角速度矢量模值的零偏估計方法對第一段溫度區間的常值零偏進行估計，即可得到全溫度段連續的溫度漂移模型。

2.2 基于地球自轉角速度模值的零偏估計補償方法

認為零偏的平方項和噪聲相關項遠小于其他項，忽略高階小量，旋轉IMU改變陀螺、加速度計的敏感軸方向，得到不同的測量結果，可得

依次使x、y、z陀螺敏感軸與地球自轉角速度矢量方向大致一致，可使陀螺零偏估計結果最優。

依次使x、y、z加速度敏感軸與重力矢量方向大致一致，可使加速度計零偏估計結果最優。

依次使x、y、z陀螺敏感軸與重力矢量方向大致一致，可使陀螺零偏估計結果最優。

由于重力模值遠大于地球自轉角速度模值，故式（18）的估計效果要優于式（14）的估計效果。當陀螺精度較低時，式（18）的優越性更為顯著。上述方法同樣適合在極區的外場自標定。

在中緯度地區外場標定，當慣導系統僅能繞z軸旋轉時，可分別將慣導系統的x軸、y軸分別大致朝向南北方向，四個位置的測量結果組成式（19）。

基于最小二乘即可求出陀螺常值漂移，優點是不受加速度計誤差的影響。

3 實驗驗證及分析

3.1 實驗準備

為了驗證所提出算法的有效性，本文進行了溫控轉臺實驗。溫控轉臺如圖2所示，將光纖陀螺慣導系統置于溫控轉臺中，實驗具體設置為:在慣導系統斷電狀態下，－15℃保溫24h，確保系統內部充分冷卻；系統開機，使環境溫度分別在1h和4h內從－15℃上升到50℃，然后在50℃環境下進行保溫，升溫過程中轉臺保持靜止。其中，1h的靜態溫控轉臺溫度變化和光纖環溫度變化如圖3所示。

圖2 光纖陀螺慣導系統實驗溫控轉臺Fig.2 Diagram of FOG INS experiment temperature control turntable

圖3 x軸光纖陀螺輸出與溫度的關系Fig.3 Relationship between the bias and the temperature for the FOG at x-axis

3.2 溫度漂移估計與補償

根據不同溫度段特征選取三個軸向光纖陀螺的溫度特征區間，如表1所示。相鄰溫度段的溫度漂移在端點處相同，溫度區間可以寫為兩側閉區間。由于慣導內部溫度計示數（約－12℃）和溫箱溫度計示數（－15℃）不一致，故本文以慣導內部溫度為準，并選?。?0℃作為溫度區間的起點。為了避免最小二乘法估計中的病態問題，本文利用了兩次不同升溫速率的實驗數據（相同升溫差值，升溫時間分別為1h和4h）。使用本文提出的參數估計法對三軸光纖陀螺溫度漂移的不同溫度段溫漂參數進行估計，角增量積分周期選為200s。將本文方法與傳統整體估計方法進行比較，得到三個軸向的溫度漂移補償結果，如圖4所示。

表1 三軸光纖陀螺溫度區間劃分Table 1 Temperature segments division of there-axis FOG

圖4 溫控轉臺1h升溫實驗溫度漂移補償結果Fig.4 Compensation results of thermal drift in 1h heating test with temperature control turntable

由圖4可知，本文提出的方法將光纖陀螺由溫度導致的漂移誤差進行了有效補償。通過上述基于角增量的最小二乘法參數估計方法得到的陀螺輸出補償結果如表2所示。由表2可知，x軸光纖陀螺相比y軸、z軸的溫度特性較差。本文提出的分段估計方法將慣導系統中三個軸向的溫度漂移分別補償了76.33%、41.98%、49.45%，而整體估計方法則分別補償了 73.70%、39.40%、48.47%，前者相比后者誤差均方差分別減小了2.63%、2.58%、0.98%。

表2 分段估計與整體估計方法溫度漂移補償效果對比（波動均方差）Table 2 Comparison of thermal drift compensation between piecewise and global estimation

應注意到，在經過溫度漂移補償后的三軸陀螺輸出中，零偏未被補償，接下來將利用基于地球自轉角速度的矢量模值觀測法對陀螺零偏進行估計。

3.3 陀螺零偏估計與補償

為了補償上一節提到的溫度漂移補償后的陀螺輸出中含有的零偏，在－10℃環境下進行保溫，分別將慣導系統x軸、y軸分別大致朝向南北方向靜置5min，將陀螺輸出進行溫度漂移補償后使用式（19）進行計算。根據當地地理緯度和重力加速度，能夠得到準確的三軸陀螺零偏分別為0.031（°）/h、－0.0035（°）/h、 －0.033（°）/h。 此處計算的為－10℃的陀螺零偏，其他溫度段的等效陀螺零偏可以通過式（5）得到。在升溫實驗中，對陀螺輸出進行溫度漂移和零偏補償后的結果如圖5所示。

圖5 1h升溫實驗溫度漂移與零偏補償結果Fig.5 Compensation results of thermal drift and zero drift in 1h heating test

經過地球角速度矢量模值觀測法零偏補償后的結果更加接近陀螺相對于慣性空間的真實角速率輸出，使用地球角速度矢量模值觀測法可以克服傳統多位置初始對準陀螺零偏估計方法在極區（高緯度）不適用的缺點，因而提高了慣導系統的環境適應性。

4 結論

本文針對角增量輸出式三軸光纖陀螺捷聯慣導系統的陀螺溫度漂移及常值零偏誤差參數估計問題，分別提出了一種基于角增量的分段最小二乘誤差估計方法和基于地球自轉角速度矢量模值觀測法的常值零偏估計方法。在建立光纖陀螺溫度漂移線性模型的基礎上，針對三軸光纖陀螺選擇不同的溫度段進行劃分，繼而分別對三軸陀螺不同溫度段的溫度漂移參數進行了參數估計，推導了不同溫度段間的邊界條件，并對各溫度段的零偏差異進行了補償，解決了溫度漂移分段估計在不同溫變速率條件下不連續的問題。本文提出的方法相比傳統整體參數估計方法能夠更加細致地描述不同溫度區間的溫度特性。溫控轉臺升溫實驗表明了本文提出的分段估計方法的有效性，本方法的補償效果優于傳統整體參數估計方法。在三軸光纖陀螺溫度補償的基礎上，使用地球自轉角速度模值觀測法對光纖陀螺的剩余零偏進行了估計，得到了三個軸向的陀螺零偏。本文所提出的零偏估計方法不需要高精度轉臺，可適用于高緯度地區及極區環境下的外場標定，提高了慣導系統的環境適應性。