[發明專利]一種基于單光纖陀螺的高精度四位置尋北方法

有效

• 申請號: 202010639014.3
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111765880B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 褚洋楊;張躍東;郭英然;李海森;徐文超;王志敏;黃建招;吳紅;劉希亮;陳河;李振華;楊帆
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍96901部隊22分隊
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 濟南光啟專利代理事務所(普通合伙) 37292
• 代理人: 鄒文婷

本發明屬于單光纖陀螺尋北技術領域，涉及一種基于單光纖陀螺的高精度四位置尋北方法。本發明針對光纖陀螺隨機游走系數大的特點，根據初始方位角的不同，合理分配各位置采樣時間，改進了四位置尋北方案，在相同陀螺精度和采樣總時間的條件下，進一步提高四位置尋北的精度。

技術領域

本發明屬于單光纖陀螺尋北技術領域，涉及一種基于單光纖陀螺的高精度四位置尋北方法。

背景技術

尋北儀是在載體靜止的條件下工作的，當陀螺敏感軸靜止于當地的水平面內時，其敏感到的角速度大小僅與地球自轉角速度ω_ie在水平面內的北向分量ω_N和方位角的大小有關。如圖1、2所示，N指的是北向、U指的是天向。L指的是當地緯度。當陀螺敏感軸Y_g與真北間的夾角為時，陀螺測量到的角速度ω為

靜態尋北中，陀螺跟隨轉軸旋轉定位到不同的采樣點靜止后采集數據，所有數據采集完成后再進行尋北解算。常用的靜態尋北方案根據采樣位置多少分為二位置、四位置和多位置尋北。

通過不同位置的采樣數據相減能夠在尋北解算中消除零偏等常值漂移。首先采集初始位置的陀螺數據，然后轉軸帶動陀螺旋轉，通過光電編碼器定位到不同的采樣位置進行數據采集，最后進行相應的尋北解算。則光纖陀螺在不同轉位點測得的角速度ω為

其中，為初始方位角，α為轉位機構帶動陀螺旋轉的角度。

如圖3所示，傳統的四位置尋北在一個圓周內選用依次間隔90°的位置等采樣時間采集陀螺輸出數據。在初始位置完成陀螺數據采集后，通過轉位機構依次旋轉至其他三個采樣位置采集數據，則光纖陀螺在四個位置(P₁、P₂、P₃、P₄)敏感到的地球自轉角速度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分量分別為

可以求得方位角為

從尋北公式中可以看出，僅憑光纖陀螺在四個位置的數據采集就能夠解算得出方位角信息，不需要緯度和光纖陀螺標度因數等先驗信息。陀螺性能是影響尋北準確性的最關鍵因素，尋北系統注重的是精度與快速性，但它們又是相互制約的，尋北精度一般隨尋北時間的增加而提高。

光纖陀螺由于其光學元件的特性存在著較大的白噪聲，白噪聲在一定時間內積分會造成角隨機游走，因此對光纖陀螺來說隨機游走系數是一項非常重要的指標，反映了陀螺儀輸出的角速率白噪聲大小。

根據白噪聲的特性，角速率測量的均方差與平均時間有關，通常定義的零偏穩定性沒有辦法反映這種噪聲的大小，因此將角速率方差與檢測帶寬歸一化來表示該噪聲大小。即將陀螺輸出角速率均方差σ_Ω除以相應的帶寬B_e的平方根定義為隨機游走系數RWC，即檢測帶寬不同時，雖然得到的零偏穩定性不同，但隨機游走系數均不變，該項指標越大，隨機游走的均方差隨時間增長越快，相應的白噪聲也越大。

因此在不同采樣頻率下測出的陀螺角速率均方根是不同的。角速率白噪聲隨測量帶寬的增加而增加，準確衡量白噪聲的大小應說明檢測帶寬的大小。隨機游走系數可以被認為是單位帶寬下的角速率均方根，與檢測帶寬無關，是衡量噪聲平的重要參數。

當只存在角速率白噪聲時，由此可得輸出的白噪聲大小是隨機游走系數RWC和檢測帶寬平方根的乘積，即隨機游走系數RWC與采樣時間t平方根的比值：

可見采樣時間越長，得到的陀螺角速率噪聲越小，精度與快速性相互制約。