[发明专利]一种悬浮类陀螺旋转-偏转复合调制误差补偿方法

说明书

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪旋转‑偏转复合调制误差补偿方法。利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；引入与旋转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调；引入与偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行偏转解调；通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测。本发明属于测量与控制技术领域，可应用于悬浮类陀螺的优化设计以及高精度姿态测量。

技术领域

本发明涉及一种悬浮类陀螺仪旋转-偏转复合调制误差补偿方法，适用于陀螺的高精度角速率测量。

技术背景

陀螺仪作为主要的惯性导航检测设备，在军用、民用领域都发挥着重要的作用。悬浮类陀螺通过悬浮的方式克服传统机械陀螺的摩擦而提高陀螺的敏感和控制精度。按悬浮方式的不同，悬浮类陀螺可分为静电陀螺、磁悬浮类陀螺、液浮陀螺以及气浮陀螺等。按照功能的不同，陀螺仪又可分为敏感陀螺和控制力矩陀螺两大类。

尽管悬浮支承有效减小了陀螺的干扰力矩，但由安装误差、温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惯性技术研究的重点和热点。

针对悬浮类陀螺的陀螺漂移抑制问题，目前主要有系统级调制解调方法和部件级调制解调方法两大类。其中，系统级旋转调制方法需要增加额外的硬件资源，因此体积、重量和功耗较大，严重影响了其适用范围。部件级调制解调方法目前主要有定子旋转和转子偏转两种调制解调两种。尽管这两种方法都可以有效抑制径向x，y两自由度的陀螺漂移，但都是在单独利用的理想情形。也就是在转子偏转调制时，陀螺定子不能旋转；在定子旋转调制时，陀螺转子不能偏转。而在实际的应用中，转子偏转与否往往是由航天器控制的需要而确定的，故而存在定子旋转和转子偏转同时存在的情形。因此，现有的定子旋转调制和转子偏转调制都无法实现这种复合工况下的调制解调。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对转子偏转情况下旋转调制无法单独使用的问题，提出旋转-偏转复合调制误差补偿新方法，消除陀螺漂移误差，得到陀螺房相对于惯性空间的角速率，为实现陀螺姿态角速率的高精度测量提供了一种新的技术途径。

本发明的技术解决方案是：首先利用轴承定子旋转周期运动作为载波对被测信号进行旋转调制；其次利用悬浮转子偏转周期运动作为载波对被测信号进行偏转调制；在此基础上，分别引入与旋转角度和偏转角度相关的解调因子对被调制信号进行旋转解调和偏转解调；最后通过对解调信号进行积分滤波消除陀螺漂移误差，实现对陀螺房相对惯性空间角速率的高精度检测，具体包括以下步骤：

(1)旋转调制

定子旋转时，悬浮类陀螺敏感角速率在旋转坐标系x-y-z下量测方程为：

式中，Ω为轴承定子绕转子角动量矢量轴旋转角速率。

(2)偏转调制

在转子偏转角度为η(t)，定子旋转角度为θ′(θ′＝θ-Ωt)时，轴承力f(x,h)可表示为：

式中，K为标度因子常值矩阵，为轴承力矩，x为检测到的轴承电信号，h为检测到的悬浮转子角位移，为真实悬浮力矩，常值漂移力矩。

(3)偏转解调

对(2)式左右两边同时乘以解调因子cos(η(t))，进行偏转解调，可得：

(4)旋转解调

对(3)式进行旋转解调，并将其映射到X-Y-Z陀螺房g系下，可得：

(5)积分滤波