一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法及系统
阅读说明：本技术 一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法及系统 (Acceleration measurement channel temperature compensation method and system of laser strapdown inertial measurement unit ) 是由 范源 陈家骏 欧阳英图 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法及系统,其中温度补偿方法包括步骤：在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前,获得I/F测量电路在无输入电流时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K-0(t),其中t为I/F测量电路所在的环境温度值；在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后,获取加速度测量通道的各通道的未经补偿的零次项输出值y-0以及实时环境温度值T；计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的零次项输出值y-(0out),其中,y-(0out)＝y-0-K-0(T),K-0(T)为当自变量t取值为T时K-0(t)的值。本发明实现简单,对温度补偿时间几乎无要求,无额外功耗消耗,适用于启动快、功耗低的激光捷联惯组,能够显著提高激光捷联惯组的加速度测量通道的测量精度。(The invention discloses a temperature compensation method and a system for an acceleration measurement channel of a laser strapdown inertial measurement unit, wherein the temperature compensation method comprises the following steps: before the I/F measuring circuit is connected with the accelerometer to form an acceleration measuring channel, a compensation function K of the output value of each channel of the I/F measuring circuit changing with the temperature when no input current exists is obtained 0 (t), wherein t is an ambient temperature value at which the I/F measurement circuit is located; after the I/F measuring circuit is connected with the accelerometer to form an acceleration measuring channel, acquiring an uncompensated zero-order term output value y of each channel of the acceleration measuring channel 0 And a real-time ambient temperature value T; calculating the zero-order term output value y of each channel of the acceleration measurement channel after temperature compensation 0out Wherein, y 0out ＝y 0 ‑K 0 (T)，K 0 (T) is K when the independent variable T takes the value T 0 The value of (t). The invention has simple realization, almost no requirement on temperature compensation time, no extra power consumption, is suitable for the laser strapdown inertial unit with quick start and low power consumption,the measurement accuracy of the acceleration measurement channel of the laser strapdown inertial measurement unit can be remarkably improved.)
技术领域
本发明属于加速度测量通道温度补偿技术领域，特别涉及一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法及系统。
背景技术
加速度测量通道是激光捷联惯组中的重要部分，加速度测量通道主要由石英加速度计和I/F测量电路两部分构成，石英加速度计将感测到的加速度转换成电流值输出，I/F测量电路将石英加速度计输出的电流值转换成跟频率相关的脉冲变化脉冲值，作为加速度测量通道的测量值输出。加速度测量通道能否实现精确测量，将直接影响激光捷联惯组的性能。
影响加速度测量通道测量精度的因素，既包括石英加速度计的结构原理和制造工艺等自身性能因素，还包括加速度测量通道中I/F测量电路，由于工作环境带来的器件本身随温度变化影响误差，I/F测量电路受温度影响的误差耦合至加速度测量通道，造成加速度测量通道测量精度偏差变大。
根据加速度测量通道的实测温度，以及加速度测量通道的输出脉冲随温度变化关系，在转台上进行十二位置标定拟合，将加速度测量通道的输出脉冲与温度进行实时修正补偿，以期减小加速度测量通道测量值受环境温度变化影响，提高测量精度。但是，由于在整个温度补偿过程中，存在环境温度给I/F测量电路带来的漂移误差，导致加速度测量通道精度较差，对整个惯组的导航系统带来的误差较大。为解决I/F测量电路受温度影响的误差对加速度测量通道测量精度的影响，现行的方法是单独对I/F测量电路设计温度补偿系统。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有I/F测量电路，由于工作环境带来的器件本身随温度变化影响误差，I/F测量电路受温度影响的误差耦合至加速度测量通道，对整个惯组的导航系统带来的误差较大，提供一种改进型激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法及系统，适用于高精度激光捷联惯组，能够显著提高激光捷联惯组的加速度测量通道的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在无输入电流时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K0(t)，其中t为I/F测量电路所在的环境温度值；
步骤2，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取加速度测量通道的各通道的未经补偿的零次项输出值y0以及实时环境温度值T；
步骤3，计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的零次项输出值y0out，其中，y0out＝y0-K0(T)，K0(T)为当自变量t取值为T时K0(t)的值。
进一步地，所述步骤1还包括，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在有激励电流输入时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K1(t)；所述步骤2还包括，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取加速度测量通道的各通道的未经补偿的一次项输出值y1以及实时环境温度值T；所述步骤3还包括，计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的一次项输出值y1out，其中，y1out＝(y1-K0(T))*K1(T)，K1(T)为当自变量t取值为T时K1(t)的值。
作为一种优选方式，所述补偿函数K0(t)由曲线拟合方法获得。
作为一种优选方式，所述补偿函数K1(t)由曲线拟合方法获得。
作为一种优选方式，所述激励电流值为1mA。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿系统，其中I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，加速度测量通道输出各通道的未经补偿的零次项输出值y0；
其特点是还包括：
补偿函数获得单元：用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在无输入电流时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K0(t)，其中t为I/F测量电路所在的环境温度值；
温度值获取单元：用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，以及在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取I/F测量电路所在的环境温度值；
计算单元：用于计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的零次项输出值y0out，其中，y0out＝y0-K0(T)，K0(T)为当自变量t取值为T时K0(t)的值，T为实时环境温度值。
进一步地，I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，加速度测量通道输出各通道的未经补偿的一次项输出值y1；
补偿函数获得单元：还用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在有激励电流输入时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K1(t)；
计算单元：还用于计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的一次项输出值y1out，其中，y1out＝(y1-K0(T))*K1(T)，K1(T)为当自变量t取值为T时K1(t)的值。
本发明的工作原理为：首先获得装机前的I/F测量电路各通道输出值岁温度变化的补偿函数，再获得装机后的加速度测量通道的各通道的未经补偿的零次项和/或一次性的输出值，最后利用补偿函数对未经补偿的输出值进行温度补偿，即可获得加速度测量通道经补偿后的零次项和/或一次性的输出值。
与现有技术相比，本发明实现简单，对温度补偿时间几乎无要求，无额外功耗消耗，适用于启动快、功耗低的激光捷联惯组，能够显著提高激光捷联惯组的加速度测量通道的测量精度。
附图说明
图1为未经本发明补偿的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的零次项脉冲输出值。
图2为未经本发明补偿的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的正向一次项脉冲输出值。
图3为未经本发明补偿的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的负向一次项脉冲输出值。
图4为经本发明补偿后的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的零次项脉冲输出值。
图5为经本发明补偿后的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的正向一次项脉冲输出值。
图6为经本发明补偿后的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的负向一次项脉冲输出值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述。
一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在无输入电流时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K0(t)，其中t为I/F测量电路所在的环境温度值；
步骤2，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取加速度测量通道的各通道的未经补偿的零次项输出值y0以及实时环境温度值T；
步骤3，计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的零次项输出值y0out，其中，y0out＝y0-K0(T)，K0(T)为当自变量t取值为T时K0(t)的值。
所述步骤1还包括，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在有激励电流(所述激励电流值优选为1mA)输入时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K1(t)；所述步骤2还包括，在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取加速度测量通道的各通道的未经补偿的一次项输出值y1以及实时环境温度值T；所述步骤3还包括，计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的一次项输出值y1out，其中，y1out＝(y1-K0(T))*K1(T)，K1(T)为当自变量t取值为T时K1(t)的值。
优选地，所述补偿函数K0(t)和补偿函数K1(t)均由曲线拟合方法获得。
本实施例中，补偿函数K0(t)和补偿函数K1(t)的曲线拟合方法如下：
首先，将I/F测量电路置于温控箱内，通过温控箱控制I/F测量电路所处的环境温度在-20℃-70℃范围内变化，通过上位机检测获得若干组一一对应的环境温度值、I/F测量电路输出脉冲值数据。
然后，在MATLAB中，对获得的若干组一一对应的环境温度值、I/F测量电路输出脉冲值数据进行离线曲线拟合，获得最佳的拟合函数K0(t)。
获得零次项对应的补偿函数K0(t)为：
K0(t)＝K0ntn+...+K05t5+K04t4+K03t3+K02t2+K01t1+K00t0
其中，n为曲线拟合的最高次数，系数K0n、...K05、K04、K03、K02、K01、K00为MATLAB曲线拟合时获取的n次项系数，其有效位数不小于8位。保证温度补偿后，零位稳定性全温下最大小于2ppm。
本实施例中，补偿函数K1(t)的曲线拟合方法如下：
首先，将I/F测量电路置于温控箱内，对I/F测量电路输入1mA的激励电流(用于模拟石英加速度计)，通过温控箱控制I/F测量电路所处的环境温度在-20℃-70℃范围内变化，通过上位机检测获得若干组一一对应的环境温度值、I/F测量电路输出脉冲值数据。
然后，在MATLAB中，对获得的若干组一一对应的环境温度值、I/F测量电路输出脉冲值数据进行离线曲线拟合，获得最佳的拟合函数K1(t)。
获得一次项对应的补偿函数K1(t)为：
K1(t)＝20000/(y1-K0(t))＝K1ntn+...+K15t5+K14t4+K13t3+K12t2+K11t1+K10t0
其中，n为曲线拟合的最高次数，系数K1n、...K15、K14、K13、K12、K11、K10为MATLAB曲线拟合时获取的n次项系数，其有效位数不小于8位。保证温度补偿后，标度因数稳定性全温下最大小于12ppm。
对一次项的补偿函数进行曲线拟合时，应分别输入正激励电流和负激励电流，分别进行曲线拟合。相应的，在进行温度补偿时，利用相应的正/负激励电流对应的补偿函数对加速度测量通道的输出进行补偿。
本实施例中，利用专用的高精度多功能校准仪5500A输出1mA激励电流。
相应地，本发明还提供了一种激光捷联惯组的加速度测量通道温度补偿系统，其中I/F测量电路与加速度计(如石英加速度计)相连形成加速度测量通道之后，加速度测量通道输出各通道的未经补偿的零次项输出值y0；还包括：
补偿函数获得单元：用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在无输入电流时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K0(t)，其中t为I/F测量电路所在的环境温度值；
温度值获取单元：用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，以及在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，获取I/F测量电路所在的环境温度值；
计算单元：用于计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的零次项输出值y0out，其中，y0out＝y0-K0(T)，K0(T)为当自变量t取值为T时K0(t)的值，T为实时环境温度值。
进一步地，I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之后，加速度测量通道输出各通道的未经补偿的一次项输出值y1；
补偿函数获得单元：还用于在I/F测量电路与加速度计相连形成加速度测量通道之前，获得I/F测量电路在有激励电流输入时的各通道输出值随温度变化的补偿函数K1(t)；
计算单元：还用于计算加速度测量通道的各通道的经温度补偿后的一次项输出值y1out，其中，y1out＝(y1-K0(T))*K1(T)，K1(T)为当自变量t取值为T时K1(t)的值。
本发明的工作原理为：首先获得装机前的I/F测量电路各通道输出值岁温度变化的补偿函数，再获得装机后的加速度测量通道的各通道的未经补偿的零次项和/或一次性的输出值，最后利用补偿函数对未经补偿的输出值进行温度补偿，即可获得加速度测量通道经补偿后的零次项和/或一次性的输出值。
参见图1至图3，为未经本发明补偿的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的脉冲输出值。可见，未经本发明补偿时，加速度测量通道的脉冲输出受温度影响变化趋势单调、光滑。
参见图4至图6，为经本发明补偿后的加速度测量通道的某一通道在全温范围内的脉冲输出值。对比发现，经过本发明方法的补偿后，加速度测量通道的测量精度和测量稳定性明显提高。具体见下表1。表1中，K0x表示x通道的零次项脉冲输出值，K1x+表示x通道的正向一次项脉冲输出值，K1x-表示x通道的正向负向一次项脉冲输出值。
表1 本发明方法的温补验证精度
从表1可以看出，经过本发明方法的补偿后，零次项百秒平均值极差为2.6ppm左右，一次项百秒平均值极差为12ppm左右。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
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