现代导航技术第八章(陀螺仪的测试、标定与补偿).pdf

1、1现代导航测试技术 现代导航测试技术 Measuring and Testing Technique for Modern Navigation System主讲：赖际舟 副教授主讲：赖际舟 副教授南京航空航天大学导航研究中心南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：办公电话：办公电话：025025-8489230484892304-807807手机：手机：手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：导航研究中心网页：导航研究中心网页：EmailEmail：LL2第八章陀螺仪的测试、标定与补偿第八章陀螺仪的测试、标定与补偿现代导航测试技术现

2、代导航测试技术3第八章 陀螺仪的测试、标定与补偿第八章 陀螺仪的测试、标定与补偿8.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法8.2 8.2 光学陀螺仪的性能测试和光学陀螺仪的性能测试和光学陀螺仪的性能测试和 光学陀螺仪的性能测试和 ALLANALLAN方差分析法方差分析法方差分析法方差分析法48.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法 为确定惯性敏感器对给定应用环境的适应性，需要对其进 行评估测试，以保证这些器件满足该应用的全部性能要求。体现以下两层含义：敏

3、感器及系统要求所处的工作环境变化范围很大，从较 为平静的海上使用，到高敏捷地对空和空空导弹在超声 速或高超声速飞行时所承受的极高动态作用力的应用。测试和标定方法需要反映应用的类型，同时且非常重 要的是要反映敏感器和系统的实际工作环境。1、惯性敏感器误差测试原理概述、惯性敏感器误差测试原理概述58.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法惯性敏感器的特性或性能可以采用前面章节中 所描述的数学表达式来表示，例如：惯性敏感器测试的目的之一是求取这些方程的系数及各种误 差项，从而可以预测其在特定情况下的性能。在建立敏感器的性能指标或性

4、能特征后，各类系统误差可以 加以补偿，从而提高其精度。1、惯性敏感器误差测试原理概述、惯性敏感器误差测试原理概述68.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法根据被测的敏感器或系统以及所需的评价方式，可以采用 静态或动态测试方法。在静态测试情况下，器件保持固定并观测其对一定的自然效应 或现象的响应。例如，利用地球自转角速度可以通过放置在不 同的位置和朝向来进行观测。当进行动态测试时，使被测敏感器运动，监视器件对该扰动的 响应并与施加的激励进行比较。惯性敏感器测试的基本方式惯性敏感器测试的基本方式1、惯性敏感器误差测试原理概述、

5、惯性敏感器误差测试原理概述78.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法确定敏感器或系统的特性可以采取下列的3 步方法:(1)采用非常简单的测试进行粗检或粗评价，如在试验台上进行 单一的静态位置测试以确定其响应是否与设计者或制造者的 预测相一致。(2)从多位置测试进行静态测试和或标定以获得器件的性能参数。(3)进行动态测试。测试时器件处于运动状态，如旋转或具有加 速度的线性运动。这种形式的测试需要专门的测试设备，如 速率转台或振动台。1、惯性敏感器误差测试原理概述、惯性敏感器误差测试原理概述惯性敏感器测试的基本方式惯性敏感器测

6、试的基本方式88.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法惯性敏感器和系统在整个开发阶段要经受不同的测试和标定。在样机或初始研究开发阶段，要设计测试策略用以估计器件 的性能边界，确定对什么有好处，且不会造成对器件的损 坏，这是因为样机通常非常昂贵且紧缺!通常采用以下两种测试方案：单一测试方案。根据敏感器类型，测试可以在测试平台上进 行，而不是在专门的实验室中测试。测试通常的安排是在系 列试验中的一项试验中，每次只改变诸多环境激励中的一 个，以便了解敏感器的响应并确定其特性。1、惯性敏感器误差测试原理概述、惯性敏感器误差测试原理

7、概述惯性敏感器测试的基本遵循原则惯性敏感器测试的基本遵循原则98.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法 组合测试方案。其概念是建立一个测试方案，采用最少量 的测试确定系统的性能和可靠性，原因是测试往往耗时且 昂贵。因此，在测试方案中，从鉴定测试和验收测试中记 录的数据可以作为组合测试方案的输入，特别是关于运行 数据及与时间有关的性能的变化。所有这些数据可以帮助 估计该系统潜在的可靠性及平均故障间隔时间。1、惯性敏感器误差测试原理概述、惯性敏感器误差测试原理概述惯性敏感器测试的基本遵循原则惯性敏感器测试的基本遵循原则随着惯性

8、敏感器或系统研究和开发阶段的不断进展，测试愈加深 入以进一步研究其性能包线。评价尽可能多的敏感器对于建立被 测参数的置信水平是非常重要的。随着惯性敏感器或系统研究和开发阶段的不断进展，测试愈加深 入以进一步研究其性能包线。评价尽可能多的敏感器对于建立被 测参数的置信水平是非常重要的。108.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法稳定性测试的目的一般是评估陀螺仪逐次运行或逐次启动的漂 移及持续运行的漂移特性。陀螺仪被放置在一个基座上，分别指向一系列相对于地理轴和 地球当地重力矢量的固定方向，或者可以采用一套转台将陀螺 仪精确地

9、放置到需要的方向。陀螺仪要在固定的温度范围内工作。陀螺仪加电并在预定的时 间内使温度达到稳态（工程称该过程为陀螺预热），并对陀螺 仪的信号进行记录。在一次稳定性测试中，敏感器的一组通电可能要持续达1h。对于更高等级的敏感器，持续时间可能要更长。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（1）稳定性测试）稳定性测试-多位置测试多位置测试118.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法 对于每次的测试运行要进行数据分析，找出该值的平 均漂移率及其方差。陀螺仪漂移率要根据一次工作过程中陀螺输出数据的 方差来评估。在这

10、些测试中，重力矢量与陀螺的输入 轴不同轴。陀螺漂移率的逐次稳定性由测量得到的陀螺仪输出漂 移值的平均的方差来评估。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（1）稳定性测试）稳定性测试-多位置测试多位置测试分析分析128.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（1）稳定性测试）稳定性测试-多位置测试多位置测试分析分析陀螺稳定性测试中采集的原始数据陀螺稳定性测试中采集的原始数据138.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差

11、测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法 当对陀螺仪进行在某一特定轴线位置的一组操作时，再选择 一新的取向并重复测试过程。从不同的数据中，各种系统误 差效应和地球旋转效应可以被消除掉。根据一组测试结果，通过对敏感器输入轴与重力矢量相互垂 直和同轴不同的情况下所得到的信号平均值进行比较，就有 可能确定与加速度有关的陀螺漂移(g 相关漂移)值。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（1）稳定性测试）稳定性测试-多位置测试多位置测试处理处理148.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法例如：在静态条件下，假定考虑

12、地球速率分量存在，陀螺仪的 输出可以表示为：2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（1）稳定性测试）稳定性测试-多位置测试多位置测试如果将陀螺的z 轴置于与重力矢量一致且指向为向上和向下，则得到相应的测量结果m 1 和m2 可以表示如下:系数系数Bf 和和Bgx 可以从这两次测量结果的和与差中计算得到。可以从这两次测量结果的和与差中计算得到。158.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法速率传递试验的目的 是检查把陀螺仪输出 信号与输入运动相关 联的标度因数的各种 特性及陀螺仪能够测 量或捕获的最大和 最

13、小角速率。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验168.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法在这些测试中，被评估的标度因数一般特性为:(1)标度因数的均值及其散布:(2)速率转台的角速率改变时均值的变化，即其线性度;(3)环境温度改变时标度因数的均值变化;(4)陀螺仪响应的滞后。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验178.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试

14、的基本方法在速率传递测试中，陀螺仪牢固地安装在转台上，使其敏感 轴(或者是双轴敏感器情况下输入敏感轴之一)与速率转台的 旋转轴可以不必同轴，但必须要与其平行。速率转台有多种使用方式，但基本原理是将陀螺仪测量得到 的角速率或角位移与速率转台给定值相比较。必须注意保证 速率转台对于任何给定的测量不会超出规定的角速率。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验测试方法测试方法188.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成 一系列角速

15、率值，同时记录每一级的数据。旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的 输出在记录前已处于稳定状态。施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验测试方法测试方法198.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验测试方法测试方法208.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法

16、对速率传递试验所得数据的分析，一般是通过将陀螺仪的输 出信号与其对应的转台旋转速率相比较来进行，转台速率信 号通常由测速电机测得。对一次测试序列中采集的全部数据 重复进行此过程，并采用最小二乘近似法通过这些数据构造 一条直线。该直线的斜率即为该陀螺仪的标度因数。为考虑任何的非线 性趋势，可以用曲线来拟合数据。这在数学上由多项式来表 示，其系数反映了陀螺仪的标度因数非线性度。2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验数据分析数据分析218.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法2、陀螺仪误差测试的种类和方法、陀螺仪误差测试的种类和方法（2）速率传递试验）速率传递试验数据分析数据分析IFOG标度因数测试情况（标度因数测试情况（10）输出角速率偏差（输出角速率偏差（deg/s）输出角速率偏差（输出角速率偏差（deg/s）与实际相比的输出偏差曲线与实际相比的输出偏差曲线228.1 8.1 陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基本方法陀螺仪误差测试的基