惯导系统误差标定概述.pdfVIP

一、惯性测量单元标定技术的重要性

惯性测量单元的核心器件是陀螺和加速度计，陀螺敏感载体的角

运动，加速度计敏感载体的线运动，惯性导航系统的精度很大程度上

取决于陀螺和加速度计的精度。对陀螺来说，不仅要测出微小的角位

移变化，给出满足分辨率要求的响应信号，而且要将陀螺仪的漂移误

差限制在尽量小的范围内。加速度计同样要有很高的分辨率，要能清

晰、精确地反映出从非常小到非常大的加速度，并给出与之相应的信

号，同时还必须有尽可能小的、稳定的零位偏置。

目前，提高惯性器件和惯导系统的精度主要有两条途径：

(1)改进器件的结构及工艺，探索新型的惯性器件。

(2)对惯性测量单元进行标定，建立误差模型，通过误差标定补

偿来提高器件的实际使用精度和系统的导航精度。

仅靠改进设计来提高惯性器件精度在加工、制造、装配及调试中

遇到的困难越来越多，成本也越来越高，因此是一项长周期，高风险

的技术，而且只能做到有限的精度提升；而后者则可通过对惯性测量

单元进行标定后求得软件补偿的参数，从而对导航测量单元的输出进

行补偿以提高系统导航精度。通过对惯性测量单元标定提高惯性器件

的使用精度的技术途径大大降低惯导系统的成本，而且这种方法也使

得惯性器件的设计思想由原来片面追求器件的绝对精度转为重点保

证其性能稳定并减少随机误差，因此惯性测量单元的标定及补偿技术

成为了提高惯导系统精度的关键技术之一。

二、惯性测量单元的元件标定

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随着惯性技术和光学陀螺的发展，光纤陀螺越来越多的被使用在

惯性测量单元中。相比于其他类型的陀螺，光纤陀螺内部没有运动部

件，因此具有寿命长，可靠性好，重量轻等优点。同时光纤陀螺的启

动时间短，对机械环境的适应性好，动态范围宽。但是光纤陀螺易受

环境温度影响，构成光纤陀螺的主要器件如光纤线圈、集成光学器件、

光源、耦合器等对温度较为敏感，所以当工作环境温度发生变化时，

在陀螺的输出信号中将产生非互易相位误差，由温度变化造成的非互

异性误差是导致光纤陀螺零位漂移和刻度系数不稳定的主要原因。

此外，石英挠性加速度计一般与光纤陀螺一起构成高精度惯性测

量单元。石英加速度计是一种模拟力反馈式加速度计，其表头部分是

产生温度误差的主要原因,表头温度的变化和表头力矩器刻度系数的

温度系数决定着加速度计温度误差的大小。在加速度计工作过程中,

造成表头温度变化的原因有两个：一是工作环境温度的变化，二是由

于力矩器线圈在通反馈电流时自身发热造成的表头温度变化。

因此在惯性测量单元的标定过程中，首先要进行陀螺和加速度计

进行元件标定。元件标定的主要内容是标定陀螺和加速度计在高低温

环境下的零偏和刻度系数随温度变化的误差。在标定过程中一般通过

高低温试验箱改变惯性测量单元的工作温度，根据不同温度下的惯性

器件零偏及刻度系数变化来标定各自的温度项误差。

对于陀螺漂移和加速度计零偏的温度误差的标定一般在静止条

件下进行。惯性测量单元的输出会随社高低温试验箱的温度变化而变

化，而在静止时陀螺与加速度计输出中的变化趋势即可认为是由于温

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度变化引起的漂移或零偏，进而可以对陀螺漂移和加速度计零偏对温

度建立模型从而标定补偿。对于陀螺刻度系数的温度误差标定一般要

结合速率转台和高低温试验箱，在温箱内的温度变化过程中，通过对

陀螺的提供正负角速度输入标定当前温度点的陀螺刻度系数，从而获

得一系列温度点下的陀螺刻度系数标定结果，随后即可对其建模。对

于加速度计刻度系数的温度误差标定一般要结合位置转台和高低温

试验箱，在温箱内的温度变化过程中，通过位置转台转动180°对加

速度计提供正负加速度输入标定当前温度点的加速度计刻度系数，从

而对其建模。

一般来说，光纤陀螺的漂移除了受温度影响，还会受到温度梯度

的影响，因此在对光纤陀螺温度漂移建模时要同时考虑温度和温度梯

度，具体的模型主要有线性模型、多项式模型、神经网络、小波网络

等，而加速度计零偏、陀螺刻度系数、加速度计刻度系数一般认为主

要受到温度的影响，在建模时较为简单，使用线性模型或多项式模型

即可。需要注意的是惯性测量单元在元件标定过程中主要完成陀螺和

加速度计零偏和刻度系数误差随温度变化的趋势项标定，而误差的常

值部分则一般通过下一部分的系统标定来实现。

三、惯性测量单元的系统标定

在完成元件标定的基础上要对惯性测量单