现代导航技术第十章(惯导系统的误差测试与性能标定)

1现代导航测试技术MeasuringandTestingTechniqueforModernNavigationSystem主讲：赖际舟副教授南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：025025--8489230484892304--807807手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：：：[e-mail]@nuaa.edu.cn2第十章惯性导航系统的误差测试与性能标定现代导航测试技术3第十章惯导系统的误差测试与性能标定§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定4加速度计性能的检查通常采用一系列静态和动态测试程序，类似于前面描述的有关陀螺仪的试验。然而，确定此类器件的特性所需的测试规模要减小。例如，一般不需要速率转台测试，并且多位置测试采用精密分度头即可完成。这种设备一般具有约1角秒的定位精度，能够使加速度计敏感轴(输入轴)相对于重力矢量进行旋转。因此，作用在敏感器输入轴的重力分量可以非常精确地改变。1、加速度计测试概述§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法5在进行一系列评价加速度计性能的测试之前，通常要进行初步测试，以保证加速度计功能符合厂家的设计。典型测试包括通电后短时间(10min-20min)观测输出以检查加温趋势并确定产生输出信号的加速度阈值的大小。可以采用精密分度头沿着敏感器的输入轴施加小的加速度。1、加速度计测试概述§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法6这类测试的目的是确定加速度计的下列参数:(1)标度因数;(2)标度因数线性度;(3)零偏误差;(4)轴对准误差;(5)逐次启动重复性。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.1多位置测试7被测器件要牢固地安装到精密分度头上，并且一般来说，要记录加速度计敏感轴4种不同姿态时的输出信号，分别对应于作用在该轴0g，1g、0g、-1g的加速度值。在每个位置上，记录一系列数据点，且整个测试可能要重复数次，根据此数据可以计算上述的性能参数。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.1多位置测试8对于某个固定温度下重力矢量的计算值与测量值之间残差的典型数据如图所示2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.1多位置测试多位置测试采样数据（残差曲线）9对于这类测试，将敏感器固定在一特定的取向，记录加速度计的输出信号。测试的持续时间可能是几小时、几周或甚至更长。如同陀螺仪测试的情况，在对加速度计一个或多个不同的取向重复测试过程前，敏感器要关断一定时间。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.2长期稳定性10在每个位置上都要检测试验过程中的环境温度并做好记录，以便能够对加速度计输出信号进行修正，如图所示。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.2长期稳定性长期稳定性测试采样数据11温度试验的目的是确定用于描述加速度计性能的基本参数随温度的变化;敏感器或者处于均匀温升或温降(称为“保温”)或者敏感器内具有温度梯度。在精密分度头上被测的敏感器一般封闭在环境箱内，试验温度一般为-55℃到80℃2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.3温度试验12图示给出了一种典型的试验方案。当加速度计处于高低温“保温”状态时，进行各种测试以观测加速度计的特性，并记录加速度计在4种主要姿态时的输出信号。这样就能够对测试过程中性能参数的变化进行估计，得到其与敏感器温度的相关性。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.3温度试验温度试验原理图132、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.3温度试验加速度计参数的温度灵敏度测试14一般这些试验安排在测试计划的后期进行。这些测试的目的是记录加速度计对于比重力加速度更大的加速度值的响应，并对输入加速度最大值时的标度因数的线性度进行评估。这种测试同样可以用于检查敏感器对于施加的加速度超过输入轴推荐或设计的测量最大值情况下的恢复性能及容限。这种形式的测试称为过量程测试。对于这类测试要特别小心，以避免造成被测敏感器的永久性损坏。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.4磁灵敏度试验（与温度试验流程类似）2.5离心试验15对于标度因数线性度响应测试，可将敏感轴与施加的加速度平行。图示表明残余误差，即测量值与实际值差别的采样数据。2、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.5离心试验离心测试的加速度计残差当敏感器轴垂直于施加的加速度时，则可以检查不同轴间的干扰或正交性。162、加速度计测试的主要内容§§10.110.1加速度计测试的基本方法加速度计测试的基本方法2.6冲击试验2.7振动试验2.8老化与储存试验17第十章惯导系统的误差测试与性能标定§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定18惯性导航系统测试的目的与“组件级测试”有所不同。某些情况下，系统性能与根据分组件惯性敏感器性能知识所预测的结果是一致的。但大多数情况下，这些分组件间会存在或多或少的相互作用。通常，当惯性导航系统的开发达到实验室测试程度时，对采用的组件级敏感器的特性已非常了解，此时需要检测系统性能。1、概述§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定19一般来说，这类测试包括将惯性测量装置或一套完整的导航系统安装到测试设备上。然后对该组件转动一系列精确已知的角度，并定位到相对于当地重力矢量的不同取向上。主要的敏感器误差则可以从该组件在每个方向上得到的加速度和旋转速率的静态测量值确定。1、概述§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定202、惯性导航系统测试的主要流程§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2.1静态加速度测试将导航系统安装到水平台上，使其每个敏感轴分别指向上和下(六位置测试)，有可能得到相对于一组基准安装面的加速度计零偏、标度因数误差和敏感轴安装误差的估计。这些估计值可以通过对各种组合的加速度计测量值求和及求差计算得到。212、惯性导航系统测试的主要流程§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2.2静态速率测试通过检测系统在预先设定的时间周期内，以及该装置多个不间的安装方向所给出的角速率测量值，有可能从中得出陀螺仪固定零偏和与g相关的零偏。如同前面的测试，求和及求差的方法可以用来分离各种误差分量。222、惯性导航系统测试的主要流程§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2.3角度测试采用一台精密多位置测试台，惯性测量装置可以转动非常精确的已知角度。通过对这些已知的旋转角度与由陀螺仪给出的速率输出积分导出的这些旋转角度的估值进行比较，就可以求出陀螺仪测量值各种误差的估值。例如，如果转台顺时针和逆时针方向旋转过相同的角度，陀螺仪对于壳体安装误差的估值连同陀螺仪零偏和标度因数误差就可以求出。232、惯性导航系统测试的主要流程§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2.4惯性导航系统多位置测试只要进行足够数量的旋转测试，这种方法就可用于求取含有常规陀螺仪的捷联系统中大部分主要敏感器误差的估计。在对特定装置的测试选择合适的一组旋转中，通常包含绕每个轴旋转90°和180°。对于包含常规陀螺仪的系统测试，符合此要求使得陀螺仪的固定零偏、与g相关的误差和安装误差以多种不同的线性组合出现在测量方程中，并因此变为可观测量。此外，在各单独的方向测试时，必须保证装置的每个轴与当地垂直线对准，包括向上和向下两个位置，以便对加速度计零偏、标度因数误差和安装误差加以辨识。24一种捷联惯性测量装置的测试旋转方案§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2、惯性导航系统测试的主要流程25一种捷联惯性测量装置的测试旋转方案§§10.210.2惯性导航系统的测试与标定惯性导航系统的测试与标定2、惯性导航系统测试的主要流程26结束第十章惯性导航系统的误差测试与性能标定