基于曲线拟合的光纤陀螺非线性误差补偿方法研究

摘要

捷联惯性导航系统是一个由多种惯性测量元件和测量单元组成的复杂系统。在多种测量装置中陀螺仪占有举足轻重的地位。现代捷联惯导系统中多采用光纤陀螺作为导航系统陀螺仪。其具备体积小、精度高、无转动部件、抗冲击和抗干扰能力强、动态测量范围大的特点，不仅仅应用在导航系统中，而且在航空航天、精密仪器仪表、国防工业设备、兵器工业制造等领域都发挥着重要的作用。
　　光纤陀螺标度因数的优劣对其输出精度起着决定性的影响，而在对实际光纤陀螺性能进行测试的过程中，发现标度因数在其动态测量范围内并不是完全呈现线性性质。在其中某些角速率区间内，标度因数的非线性突变将导致标度因数误差明显增大，从而对导航精度产生不良影响。根据上述问题，本篇文章进行了以下几个方面的研究：
　　本文首先介绍了光纤陀螺的基本工作原理以及两种类型的光纤陀螺的基本结构，并且分别阐述了光纤陀螺中信号检测与相位调制的方法。说明了针对全数字闭环结构的光纤陀螺调制的具体实现方法。
　　其次，根据光纤陀螺的输入、输出及误差之间的关系，确定了光纤陀螺的数学模型，并且依据上述模型详细介绍了光纤陀螺标度因数以及其非线性度的测试步骤和计算过程。介绍了光纤陀螺捷联惯导系统的基本结构和原理，根据捷联惯导系统的误差方程建立了标度因数误差与载体运动角速率之间的关系式，并依据此关系进一步推到出标度因数误差对捷联惯导系统输出参数精度的影响，并利用Matlab软件进行仿真分析验证。
　　接着分析了造成标度因数误差的相关因素，并提出一种在确定多项式阶数的前提下数据点自适应分段的拟合方法，进而对光纤陀螺多角速率测试实验中的数据进行分段拟合，拟合得到分段标度因数。利用模拟海上摇摆试验对拟合得到的分段标度因数应用效果进行验证。结果表明选用分段标度因数的导航参数解算精度要优于传统单一标度因数情况下的导航参数解算精度。而且该方法在工程实践中容易实现，是一种简单、高效提高标度因数稳定性的方法。
　　最后简单介绍了可编程逻辑器件的基本概念，并结合其中一种可编程逻辑器件FPGA设计制作了一块系统电路板，该设计中选用了Altera公司CycloneIV系列中的EP4CE6型号芯片。在FPGA芯片内设计了一系列软件功能模块实现数据的输入输出和分段处理，而且利用逻辑分析工具对设计模块进行了测试验证。

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第1章 绪论

1.1光纤陀螺的现状及趋势

1.2光纤陀螺惯性系统概述

1.3课题研究目的意义

1.4论文主要内容安排

第2章 光纤陀螺基本原理

2.1 Sagnac效应基本原理

2.2光纤陀螺基本原理

2.3光纤陀螺的基本分类

2.4光纤陀螺闭环方案

2.5本章小结

第3章 标度因数误差对惯导系统的误差分析

3.1光纤陀螺的数学模型

3.2光纤陀螺标度因数的确定

3.3标度因数非线性度

3.4标度因数误差对惯导精度的影响及仿真分析

3.5本章小结

第4章 光纤陀螺的分段标度因数方案

4.1非线性误差因素

4.2标度因数的分段处理

4.3分段拟合方法

4.4仿真分析

4.5 本章小结

第5章 基于分段标度因数方案的电路设计

5.1 FPGA概述

5.2基于FPGA的系统电路设计

5.3 基于FPGA的系统软件设计

5.4 设计试验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附 录A

附 录B