一种基于高精度三轴转台的陀螺标度因数测试方法
阅读说明：本技术 一种基于高精度三轴转台的陀螺标度因数测试方法 (Gyro scale factor testing method based on high-precision three-axis turntable ) 是由 张金保 郅银周 马碧沛 何泽民 周晓娜 王晶 刘静 张辰 李建鹏 周益 周晶淼 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：一种基于高精度三轴转台的陀螺标度因数测试方法,先使用常规的速率测试方法测出初始粗标度因数,然后利用三轴转台精确的位置定位功能,通过位置对消简化误差模型的办法测出陀螺输入轴失准角(即陀螺安装误差),接着利用借助高精度三轴转台中、内框相互配合能够实现二维空间任意指向优势,在二次速率测试时对陀螺输入轴失准角进行一次校准,从而完成标度因数的二次精确测试,该方法能够显著降低由陀螺输入轴失准角引起的陀螺标度因数的非线性度误差。(A gyro scale factor testing method based on a high-precision three-axis turntable comprises the steps of firstly testing an initial coarse scale factor by using a conventional rate testing method, then testing a gyro input shaft misalignment angle (namely, a gyro installation error) by using a position cancellation simplified error model by using the accurate position positioning function of the three-axis turntable, then utilizing the mutual matching of a middle frame and an inner frame of the high-precision three-axis turntable to realize the advantage of arbitrary pointing in a two-dimensional space, and calibrating the gyro input shaft misalignment angle once during secondary rate testing so as to finish secondary accurate testing of the scale factor.)
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种惯性姿态敏感器的标度因数的测试方法。
背景技术
随着卫星成像技术的快速发展，卫星成像载荷对航天器控制分系统提出了较高的控制精度要求，不仅定姿要精确，卫星在机动过程中也要保证较高的控制水平。而控制分系统则对惯性姿态敏感器提出了较高的性能要求，标度因数和安装误差作为惯性产品的重要技术指标，将直接影响到卫星的定姿精度。
由于卫星姿态机动过程中，主要采用陀螺进行姿态确定。为了降低航天器姿态快速机动到位后的姿态确定误差从而缩短稳定时间，以及提高卫星运动中成像的姿态确定精度，对陀螺的误差模型提出了较高的要求，陀螺主要的误差源主要包括常值漂移、陀螺安装误差和陀螺标度因数的误差。
现有标度因数的测试方法，主要是以机械指向为准，由于陀螺实际的输入轴与机械指向的轴向存在误差，这个误差就是安装误差，目前使用单轴转台的国军标测试方法中由于无法对输入轴进行微调，所以在标度因数测试结果中，包含了安装误差角引起的标度因数误差。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于高精度三轴转台的陀螺标度因数的测试方法，可以显著提高陀螺安装误差和标度因数的测量精度。
本发明的技术解决方案是：一种基于高精度三轴转台的陀螺标度因数测试方法，包括如下步骤：
(1)将三轴转台安装于水平面上，调整三轴转台的基座使三轴转台外框轴与水平面法线平行，然后调整中框，使内框轴与水平面法线平行，实现三轴转台的外框轴、中框轴和内框轴相互正交，并使得内框上固定的安装平板处于与水平面平行的位置上；
(2)调整三轴转台的外框，使中框轴指向正北方，内框轴指向正东方，使得三轴转台的外框轴、中框轴、内框轴分别与大地水平坐标系的天、正北、正东方向一致；
(3)调整安装平板上的基准靠面，使基准靠面法线方向与内框轴的方向平行或垂直，安装平板的安装面与水平面平行；
(4)将待测陀螺安装于所述安装平板上，待测陀螺的靠面与安装平板基准靠面紧密贴合；
(5)调整中框和内框的位置，使待测陀螺轴向与外框轴方向一致，保持中框和内框位置不动，对外框轴施加不同的速率对陀螺的标度因数进行测试，得出待测陀螺的初始标度因数K0；
(6)调整中框和内框的位置，使待测陀螺的轴向指向正东，记录陀螺的输出模型为：
F1＝F0+K0·ωv·sinβ0+K0·ωh·sinα0 (1)
其中，F0为陀螺零偏，ωv为地球自转在垂直方向上的分量，ωh为地球自转在水平方向上的分量，α0、β0分别为陀螺输入轴在水平和垂直方向的输入轴失准角，F1表示此时陀螺输出角速率；
(7)调整内框相对位置旋转180°，记录陀螺输出模型为：
F2＝F0-K0·ωv·sinβ0-K0·ωh·sinα0 (2)
其中，F2表示此时陀螺输出角速率。
联立求解公式(1)、(2)得到陀螺零偏F0；
(8)调整中框相对位置旋转180°，记录陀螺输出模型为：
F3＝F0+K0·ωv·sinβ0-K0·ωh·sinα0 (3)
其中，F3表示此时陀螺输出角速率；
联立求解公式(1)、(2)、(3)以及初始标度因数K0，得到α0、β0的值作为陀螺输入轴失准角的初始值；
(9)调整中框、内框的位置，使待测陀螺输入轴指向天，回到速率测试的初始状态，利用测得的α0、β0对陀螺轴的指向进行调整，内框相对位置减小α0，中框相对位置减小β0；
(10)对调整输入轴后的陀螺再次进行标度因数测试，所得出的标度因数K1即为消除了绝大部分安装误差的量值，然后将K1代入公式(1)、(2)、(3)得到α1、β1即为迭代测试后的单个陀螺安装角。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法通过三轴转台的特性，对陀螺的安装误差进行最大程度的消除，此时通过将实际的陀螺输入轴指天进行标度因数测试，所得到的标度因数为陀螺的实际标度因数，该测试方法能够最大程度的消除陀螺安装误差引起的标度因数误差。
附图说明
图1为本发明方法中采用的三轴转台示意图；
图2为本发明方法的流程框图；
图3为本发明陀螺安装误差示意图一；
图4为本发明陀螺安装误差示意图二；
图5为本发明陀螺安装误差示意图三。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法所使用的三轴转台的示意图。图中1表示三轴转台台体，2表示转台外框，3表示转台中框，4表示转台内框，5表示内框平板，用来安装陀螺产品。
本发明中，借助高精度三轴转台的任意指向性，在速率测试项目确定输入轴指向过程中，可以实现输入轴指向的微调以消除绝大部分的输入轴失准角，进而在低速速率测试中消除绝大部分由地球自转分量引起的误差，这部分误差在高精度陀螺中占据较大比重。
如图2所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：
(1)将三轴转台安装于试验室的隔离地基上，调整三轴转台的基座使三轴转台外框与大地水平面法线平行，完成三轴转台的外框轴的校准。
试验使用的三轴转台具有三个不同方向的旋转轴，由外向内分别记作外框轴即方位轴、中框轴即俯仰轴、内框轴即横滚轴。
校正外框轴后，调整中框轴，使内框轴与大地水平面法线平行，实现三轴转台的外框轴、中框轴和内框轴相互正交，即，外框轴与中框轴正交，中框轴和内框轴正交，内框上固定的安装平板处于与大地水平面平行的位置上。
(2)调整三轴转台的外框轴，使中框轴指向正北方，此时内框轴指向正东方，即实现三轴转台的外、中、内框轴分别与大地水平坐标系的天、正北、正东方向一致。
此处设水平正东为正X轴方向，水平正北为正Y轴方向，与地表水平面垂直指天为正Z轴方向。
(3)调整内框上安装平板上的基准靠面，使靠面法线方向与内框轴的方向平行或垂直，安装平板的安装面与大地水平面平行。
(4)将待测陀螺安装于三轴转台内框安装平板上，待测陀螺的靠面与安装平板靠面紧密贴合。
(5)调整中框和内框的位置，使待测陀螺轴向与外框轴方向一致，保持中框和内框位置不动，对外框轴施加不同的速率对陀螺的标度因数进行测试，得出待测陀螺的初始标度因数K0；
(6)调整中框和内框的位置使待测陀螺的轴向指向正东，如图3所示，此时陀螺的输出模型为：
F1＝F0+K0·ωv·sinβ0+K0·ωh·sinα0 (1)
其中，F0为陀螺零偏，ωv为地球自转在垂直方向上的分量，ωh为地球自转在水平方向上的分量，α0、β0分别为陀螺输入轴在水平和垂直方向的输入轴失准角(安装误差)，F1表示此时陀螺输出角速率，以下F2、F3的含义类似。
此处水平指的是地球水平唯一的一个平面，垂直方向是水平面的法线方向。
(7)内框相对位置旋转180°(即转台内框绕X轴按照相对位置模式进行旋转)，如图4所示，得到陀螺输出模型为：
F2＝F0-K0·ωv·sinβ0-K0·ωh·sinα0 (2)
其中，F2表示此时陀螺输出角速率。
由式(1)、(2)可以得出陀螺零偏F0。
(8)中框相对位置旋转180°(即转台中框绕Y轴按照相对位置模式进行旋转)，如图5所示，得到陀螺输出模型为：
F3＝F0+K0·ωv·sinβ0-K0·ωh·sinα0 (3)
其中，F3表示此时陀螺输出角速率。
由式(1)、(2)、(3)以及初始标度因数K0，可以得出α0、β0的值，该值即为陀螺输入轴失准角的初始值。
初始标度因数一般存在100ppm～1000ppm的非线性度误差，本发明中在计算初始输入轴失准角时，将该部分误差转移到了安装误差内，由于这两个角度本身就比较小，一般星用陀螺的安装误差在10′以内，100ppm～1000ppm的误差只有6″～0.6″，所以利用α0、β0对速率测试时陀螺的输入轴失准角进行修正完全可行。
(9)调整中框、内框位置，使待测陀螺输入轴指天，回到速率测试的初始状态，然后利用测得的输入轴初始失准角α0、β0，对陀螺轴的指向进行调整，内框相对位置减小α0，中框相对位置减小β0。
(10)对调整输入轴后的陀螺再次进行标度因数测试，所得出的标度因数K1即为消除了绝大部分安装误差的量值，然后将K1代入式(1)、(2)、(3)得到α1、β1即为迭代测试后更为精确的陀螺安装角。
这里指的是同一只陀螺，实际上每只陀螺的测试均分为粗测和精测两个步骤，第一次粗测是为了先拿到一个包含安装误差的粗略的标度因数，然后用这个标度因数测出初步的安装误差，然后利用这个安装误差对陀螺输入轴的指向进行调整，然后再次进行标度因数的测量，这第二次测量就是消除了百分之九十以上的安装误差角引起的标度因数的误差，这是一个迭代的过程。
由于陀螺用于敏感惯性角速度，在地面进行陀螺标定时，陀螺的输出将受到地球自转的影响，并且在速率测试中，速率越低受到地球自转引起的误差就越大，对于空间应用的陀螺来说，卫星绝大多数时间卫星的角速度都比较低，但是对于陀螺单机所提的任务书指标余量比较足，无论光纤陀螺还是机械陀螺标度因数的非线性度均有不同形式的不足，本发明方法根据三轴转台可以实现指向的任意性，可以实现速率测试时对陀螺输入失准角的修正，从而降低小角速度标定时地球自转引起的误差，提高标度因数的精准度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。