一種懸浮類陀螺旋轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)復(fù)合調(diào)制誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種懸浮類陀螺儀旋轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)復(fù)合調(diào)制誤差補(bǔ)償方法，適用于陀螺的 高精度角速率測(cè)量。 技術(shù)背景
[0002] 陀螺儀作為主要的慣性導(dǎo)航檢測(cè)設(shè)備，在軍用、民用領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。懸 浮類陀螺通過(guò)懸浮的方式克服傳統(tǒng)機(jī)械陀螺的摩擦而提高陀螺的敏感和控制精度。按懸浮 方式的不同，懸浮類陀螺可分為靜電陀螺、磁懸浮類陀螺、液浮陀螺以及氣浮陀螺等。按照 功能的不同，陀螺儀又可分為敏感陀螺和控制力矩陀螺兩大類。
[0003] 盡管懸浮支承有效減小了陀螺的干擾力矩，但由安裝誤差、溫漂等因素引起的陀 螺漂移仍然存在。如何有效抑制陀螺漂移一直是慣性技術(shù)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
[0004] 針對(duì)懸浮類陀螺的陀螺漂移抑制問(wèn)題，目前主要有系統(tǒng)級(jí)調(diào)制解調(diào)方法和部件級(jí) 調(diào)制解調(diào)方法兩大類。其中，系統(tǒng)級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制方法需要增加額外的硬件資源，因此體積、重 量和功耗較大，嚴(yán)重影響了其適用范圍。部件級(jí)調(diào)制解調(diào)方法目前主要有定子旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子 偏轉(zhuǎn)兩種調(diào)制解調(diào)兩種。盡管這兩種方法都可以有效抑制徑向X，y兩自由度的陀螺漂移，但 都是在單獨(dú)利用的理想情形。也就是在轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)調(diào)制時(shí)，陀螺定子不能旋轉(zhuǎn);在定子旋轉(zhuǎn)調(diào) 制時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)子不能偏轉(zhuǎn)。而在實(shí)際的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)與否往往是由航天器控制的需要而 確定的，故而存在定子旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)同時(shí)存在的情形。因此，現(xiàn)有的定子旋轉(zhuǎn)調(diào)制和轉(zhuǎn)子 偏轉(zhuǎn)調(diào)制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合工況下的調(diào)制解調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:針對(duì)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)情況下旋轉(zhuǎn)調(diào)制無(wú)法單獨(dú)使用的問(wèn)題， 提出旋轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)復(fù)合調(diào)制誤差補(bǔ)償新方法，消除陀螺漂移誤差，得到陀螺房相對(duì)于慣性空間 的角速率，為實(shí)現(xiàn)陀螺姿態(tài)角速率的高精度測(cè)量提供了一種新的技術(shù)途徑。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:首先利用軸承定子旋轉(zhuǎn)周期運(yùn)動(dòng)作為載波對(duì)被測(cè)信號(hào) 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制;其次利用懸浮轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)周期運(yùn)動(dòng)作為載波對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)調(diào)制;在此 基礎(chǔ)上，分別引入與旋轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)角度相關(guān)的解調(diào)因子對(duì)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解調(diào)和偏 轉(zhuǎn)解調(diào)；最后通過(guò)對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分濾波消除陀螺漂移誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺房相對(duì)慣性空 間角速率的高精度檢測(cè)，具體包括以下步驟：
[0007] (1)旋轉(zhuǎn)調(diào)制
[0008] 定子旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸浮類陀螺敏感角速率?在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系x-y-z下量測(cè)方程為：
[0009]
(1)
[0010] 式中，Ω為軸承定子繞轉(zhuǎn)子角動(dòng)量矢量及軸旋轉(zhuǎn)角速率。
[0011] (2)偏轉(zhuǎn)調(diào)制
[0012] 在轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度為n(t)，定子旋轉(zhuǎn)角度為Θ?θ'ιθ-Ω?)時(shí)，軸承力f(x，h)可表示 為：
[0013]
[0014] 式中，K為標(biāo)度因子常值矩陣，μ為軸承力矩，X為檢測(cè)到的軸承電信號(hào)，h為檢測(cè) 到的懸浮轉(zhuǎn)子角位移，為真實(shí)懸浮力矩，見(jiàn)常值漂移力矩。
[0015] ⑶偏轉(zhuǎn)解調(diào)
[0016] 對(duì)(2)式左右兩邊同時(shí)乘以解調(diào)因子C〇s(ri(t))，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)解調(diào)，可得：
[0017]
[0018] (4)旋轉(zhuǎn)解調(diào)
[0019] 對(duì)⑶式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解調(diào)，并將其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：
[0020]
[0021] (5)積分濾波
[0022] 經(jīng)積分濾波，即可解算出陀螺房相對(duì)慣性空間角速率::
[0023]
[0024] 本發(fā)明的發(fā)明原理是:利用軸承定子旋轉(zhuǎn)周期運(yùn)動(dòng)作為載波對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 調(diào)制;利用懸浮轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)周期運(yùn)動(dòng)作為載波對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)調(diào)制；引入與偏轉(zhuǎn)角度相 關(guān)的解調(diào)因子對(duì)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)解調(diào)；引入與旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的解調(diào)因子對(duì)被調(diào)制信號(hào) 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解調(diào);通過(guò)對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行積分濾波消除陀螺漂移誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺房相對(duì)慣性 空間角速率的高精度檢測(cè)。
[0025] 懸浮式陀螺偏轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)復(fù)合調(diào)制示意圖如圖2所示，懸浮類陀螺的轉(zhuǎn)子在垂直平面 內(nèi)往復(fù)偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間成周期性正余弦變化;軸承定子繞轉(zhuǎn)子角動(dòng)量矢量彥軸以 角速率Ω旋轉(zhuǎn)。
[0026] 定子旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸浮類陀螺在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的敏感角速率:i%^Ex-y-Z下的分量方程 為：
[0027]
[0028] 式中，Ω為軸承定子繞轉(zhuǎn)子角動(dòng)量矢量應(yīng)軸旋轉(zhuǎn)角速率。
[0029] 在轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度為q(t)，定子旋轉(zhuǎn)角度為Μ (θ'=θ-Ω〇時(shí)，陀螺所敏感到的實(shí)際 懸浮力矩爲(wèi)包括真實(shí)軸承力矩.與常值漂移力矩應(yīng),，即：
)
[0033]則軸承力f(x，h)可表示為：
[0034]
[0035] 其中，K為標(biāo)度因子常值矩陣，』^^為真實(shí)懸浮力矩，蔚￡常值漂移力矩。
[0036] 對(duì)(9)式左右兩邊同時(shí)乘以解調(diào)因子C〇s(ri(t))，進(jìn)行偏轉(zhuǎn)解調(diào)，可得：
[0037] I / ΛΙ I I ^ f y b f / - Z 1 * <iyTc'V
1 7 ? ,/ -~T i K.i , ff
[0038] 對(duì)(10)式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)解調(diào)，并將其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：
[0039]
[0040] 對(duì)(11)式進(jìn)行經(jīng)積分濾波，即可解算出陀螺房相對(duì)慣性空間角速率％ :
[0041]
[0042] 從（12)式可得，對(duì)于X和Y軸方向上的真實(shí)旋轉(zhuǎn)角速率可以實(shí)現(xiàn)解調(diào)，對(duì)于Z軸上的 無(wú)法實(shí)現(xiàn)。（12)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：
[0043]
[0044] 本發(fā)明的方案與現(xiàn)有方案比，主要優(yōu)點(diǎn)在于:與現(xiàn)有的系統(tǒng)級(jí)調(diào)制解調(diào)方法相比， 在部件級(jí)層面上實(shí)現(xiàn)了角速率測(cè)量，減小了設(shè)備的體積和功耗，拓展了適用范圍；與現(xiàn)有的 部件級(jí)調(diào)制解調(diào)方法相比，該方法實(shí)現(xiàn)了在定子旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)存在下的陀螺漂移的有效 抑制，既補(bǔ)償了由轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)引起的耦合項(xiàng)，又補(bǔ)償了陀螺漂移，解決了角動(dòng)量變化時(shí)的陀螺 漂移問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1為本發(fā)明原理框圖；
[0046]圖2為復(fù)合調(diào)制不意圖；
[0047] 圖3為調(diào)制解調(diào)誤差補(bǔ)償過(guò)程示意圖；
[0048] 圖4為經(jīng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制解調(diào)后的姿態(tài)角(無(wú)漂移）；
[0049] 圖5為未經(jīng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制解調(diào)后的姿態(tài)角(有漂移）；
[0050] 圖6為偏轉(zhuǎn)調(diào)制原理仿