光纤陀螺仪在摇摆状态下的误差测试分析方法
2019-06-25闾晓琴黄鑫岩
闾晓琴， 黄鑫岩， 高 峰， 王 宁
(北京航天时代光电科技有限公司，北京 100094)
0 引 言
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的全固态角速率传感器，作为一种惯性仪表，具有传统机电仪表所不具备的优点，它是由光学和电子器件组成的闭环系统，通过检测两束光的相位差来确定自身角速度，因此在结构上它是完全固态化的陀螺，没有任何运动部件，具有可靠性高、寿命长、带宽大、启动快、生产工艺性好等优点。是一种理想的捷联惯性器件[1]。
目前干涉型数字闭环光纤陀螺广泛应用于捷联惯性导航系统[2～4]。在捷联系统中，光纤陀螺与载体直接固连，直接敏感载体的角运动。在高动态环境下，陀螺不仅敏感较大的角速率，还可能承受摇摆和震荡运动。在研究过程中发现，当载体进行剧烈、快速的摇摆运动时，光纤陀螺仪存在较大的测量误差，该项误差制约了光纤陀螺捷联系统在高精度、高动态、大机动应用环境下的精度。
文献[5～8]从不同的角度分析了光纤陀螺仪摇摆误差的产生机理，提出了误差补偿算法。但是仅分析了摇摆状态下瞬时的角速率幅度误差，各种补偿方法均是针对瞬时的角速率幅度误差。仅对瞬时的角速率幅度误差进行补偿，不能消除随时间累积的角位移误差，这个随时间累积的角位移误差会严重影响光纤陀螺仪惯导系统的导航精度。
本文弥补了摇摆状态下光纤陀螺仪误差测试分析方法的不足，提出了利用高频角振动台和角速率积分的方法来测试分析光纤陀螺仪在摇摆状态下的测量误差，为光纤陀螺仪的设计和应用提供了一种新的分析测试手段。
1 测试原理
光纤陀螺仪光路主要由光源、耦合器、Y波导、光纤环和探测器组成。从光源发出的光经2×2单模光纤耦合器进入Y波导，光在光纤环中沿相反方向传播，然后回到Y波导的合光点上发生干涉，干涉光波再次经过2×2单模光纤耦合器，到达探测器。当光纤陀螺绕光纤环轴向旋转时，由于Sagnac效应，两束相向传播的光束之间将产生光程差，进而产生相位差，形成干涉。通过光电探测器检测干涉光强的变化就可以测量出转速[1]。
假设载体沿着光纤陀螺的敏感轴作正弦摇摆运动，摇摆频率为f，摇摆过程中最大角速率为M，则摇摆过程中光纤陀螺敏感到的角速率ω(t)可表示为
ω(t)=Msin(2πft)
(1)
对光纤陀螺敏感的角速率进行一次微分可得其角加速度
(2)
从角速率和角加速度的表达式可以看出，正弦摇摆运动不仅是变角速率运动，同时也是变角加速度运动，它使得光纤陀螺的输入角速度随时间不断变化[2]。
对光纤陀螺仪敏感的角速率进行积分可得其角位移
(3)
正弦摇摆状态下,T时间内光纤陀螺仪的角位移表示为
(4)
对光纤陀螺仪敏感的角速率进行积分得到的角位移减去实际的角位移A0(T)，可以得到光纤陀螺仪在T时间内累计的角位移误差Eerror(T)为
Eerror(T)=A(T)-A0(T)
(5)
2 测试方法
如图1所示，将光纤陀螺仪固定安装在高频角振动台台面上，光纤陀螺仪放在台面中心位置，并使光纤陀螺仪的输入轴和角振动台振动轴方向一致，转台归零。
图1 光纤陀螺仪角振动误差测试安装示意
(6)
(7)
(8)
光纤陀螺仪敏感到的地球自转产生的角速率Ωearth表示为
(9)
式中K为陀螺标度因数，(°)/(s·LSB-1)。
对光纤陀螺仪敏感到的角速率扣除地球自转产生的角速率后，得到由于转台运动产生的角速率，对这个角速率进行积分，得到由于转台运动产生的角位移，可表示为
(10)
式中 Δt为陀螺数据采集周期，s。
停止角振动台后转台回到初始位置，最终的角位移就是光纤陀螺仪角振动过程中随时间累积的角位移误差
(11)
3 测试结果分析
图2(a)是某光纤陀螺仪正弦摇摆条件下(摇摆频率60 Hz，摇摆过程中最大角速率为10°/s)陀螺输出，看不出光纤陀螺仪存在明显的测量误差。图2(b)是采用角速率积分的方法分析角位移误差，可以明显看出光纤陀螺仪的测量误差，摇摆过程中角位移向一个方向偏移，也就是角位移误差随摇摆时间线性增长，最终的角位移累积误差为0.078°。
图2 设计参数调整前光纤陀螺仪输出及角位移
针对此光纤陀螺仪的正弦摇摆条件下角位移误差特点，分析误差来源是闭环反馈参数设计问题。
对设计参数进行了调整，改进后相同摇摆条件下，此光纤陀螺仪的角位移误差减小为0.006 5°，如图3所示。
图3 设计参数调整后光纤陀螺仪输出及角位移
从以上试验结果可以得出：在摇摆条件下，从光纤陀螺仪的输出看不出明显的测量误差，但是采用角速率积分的方法，可以明显看出测量误差的趋势和规律。试验结果证明利用高频角振动台和角速率积分的方法来测试分析光纤陀螺仪在摇摆状态下的测量误差是有效的。
4 结 论
本文首次提出了利用高频角振动台和角速率积分的方法来测试分析光纤陀螺仪在摇摆状态下的测量误差，并试验证明了该误差测试分析方法的有效性。采用这种方法，可以看出摇摆过程中光纤陀螺仪测量误差的趋势和规律，有利于分析光纤陀螺仪的设计问题，并采取合适的方法抑制该项误差，提高光纤陀螺对动态环境的适应能力、满足高动态应用场合的需求。本文的研究弥补了现有测试方法的不足，为光纤陀螺仪的设计和应用提供了一种新的分析测试手段。
