陀螺漂移

Ⅰ

ⅡΩΩ

捷联惯导系统的导航的精度将会随着时问的推移而降低，因为无论采取什么手段，只要惯

导器件误差不为零，那么惯导系统的导航误差就要随时间而积累，这是由惯性导航原

理决定的。而两种主要的惯性元件陀螺仪和加速度计中，加速度计的精度通常比陀螺

仪高一个数量级以上，一般能够满足导航要求。因此陀螺漂移的合理补偿就成为了提

高导航精度的关键。

陀螺漂移补偿的方案有很多种，本文曾对几种漂移补偿方案进行了实验比较，并

在此基础上提出了一种在一定条件下行之有效的加速度计辅助补偿法。下面介绍曾实

验的几种方案并详细介绍加速度计辅助补偿法。

方案一

称为动态校零的漂移补偿方法，这种方法的背景是:基于对压电陀螺的研究，发

现压电陀螺始终存在零位不重复性和零位不稳定性。零位不重复性是指在静止状态

下，不同时间给陀螺通电，陀螺的输出电压各不相同;零位不稳定性是指在静止状态

下，给陀螺通电，陀螺的输出电压随时间的推移而变化。动态校零分为针对零位

不重

复性的开机零位校正和针对零位不稳定性的零位漂移抑制过程。零位信号是一个变化

较缓慢的信号，在短时间内，可以看作直流分量。因此，开机零位校正可以采用一个

求和过程，对开机时静态陀螺信号进行求和，再将所求之和除以积分的时间得均值，

即可将开机零位分离出来。本文采用的是开机一分钟的均值。而零位漂移抑制则需要

通过对大量陀螺数据的分析，总结出其漂移规律，根据规律预置漂移速率，由漂移抑

制算法消除零位的不稳定性。

但是这个方一案存在一些问题，首先零位信号是随时间漂移的，那么开机所求得的

零位信号在之后的导航解算中很可能与实际情况不符合从而影响修正的效果;另外，

预置漂移速率要求陀螺输出有较强的规律性，而经过大量实验数据的采集和分析，证

实本实验采用的陀螺不具有很强的规律性，所以此种动态校零的修正方案在本文并不

适用。

方案二

本文曾提出过一种方案，称之为最小二乘拟合法。是根据对采集的大量陀螺数据

的分析，建立一个陀螺输出漂移与时间关系的最小二乘的模型，并将陀螺输出分为若

干小的时间段，例如I0s(因为在相邻的短时间段内规律性可视为相同)，由于时间

短，可将每个时间段内的模型近似认为是Y=aX十b, Y为陀螺输出，X为时间变量，

a, b为待辨识参数，利用本时间段采集的数据实时估计的陀螺输出漂移的最小二乘模型来预估下一时间段陀螺输出漂移值，将据此估计值下一时间段中对实际陀螺输出

进行修正。

但是这个方案只适用于不作旋转运动的载体，一旦载体进行旋转，就无法从陀螺

信号中区分出漂移与旋转带来的陀螺信号本身应有的变化了。但是可以考虑分析载体

运动信号及漂移在陀螺信号中的形式不同而加以区分，从而可以将该方案用于做旋转

运动的载体。

方案三

本文还设计了一种简单易行且精度较高的方案，称为加速度计重调陀螺补偿法。

顾名思义，在这种方案中我们引进了加速度计的信号，利用了加速度计精度较高的特

点。下面详细介绍该方案。

采用陀螺仪主要是为了获得载体的实时姿态和姿态矩阵，而在一定条件下利用加

速度计的测量值可以直接求得载体的俯仰角和横滚角，但是不能获得载体的航向角，

可以考虑采用磁航向仪，这样就可以得到精度较高的载体的三个姿态角，再通过姿态

角与姿态矩阵的一一对应关系求得实时的姿态矩阵。

从上面的介绍可以看到只要加速度计和磁航向仪似乎就可以完成姿态的解算和

姿态矩阵的实时更新，而完全不需要陀螺了，但是是利用地球重力加速度在载体系三轴的分量信息来反映载体的姿态信息的，因此这个方案理论上只有在载体无加减

速运动的情况下才成立，而在实际系统中，载体并不是保持静止或匀速运动的，一旦

载体有了加减速运动，就不再与重力加速度在载体系三轴分量一一对应，而含有了加速运动的信息，利用它们就不能直接求得载体的姿态信息了可以看出加速度计的值只能作为基准值，在匀速运动或静止的时刻对陀螺进行修正。

具体方案为：当载体静止或匀速运动的时候，利用加速度计的测量值来求取姿态信息和更新姿态矩阵，同时每周期检测系统的运动状态，当系统检测到载体在进行加速或减速运动时，就在上周期加速度计解算值的基础上利用陀螺继续解算，而如果系统恢复匀速运动，就重新利用加速度计解算。

理论上该方案可以允许载体有一定的加速运动，只要由于载体运动引入的加速度计输出值增量a引起的姿态矩阵与真实值的偏差小于直接采用陀螺仪所求得的姿态矩阵与真实值的偏差，该方案仍然是一个有效方案，反之，导航解算的结果就反而不如直接采用陀螺仪解算的结果的精度高，这个方案就

反而会加大导航参数的误差。但是由于在实际应用中，根本无从知道姿态矩阵的真实

值，也就不便判断到底可以允许多大的运动加速度。所以采用该方案，一般要求载体的运动过程中要有匀速运动的阶段或点存在。至于判断载体是否处于匀速运动状态，是利用加速度计三轴分量与重力加速度的关系判定的，在静止或匀速运动的情况下，加速度计三轴测得的值的平方和应当等于重力加速度的平方值但是在实际系统中由于加速度计精度和噪声的问题，在判断时不可能严格满足上式，而需要设置一个门限值，只要加速度计三轴测得的值的平方与重力加速度平方值的差小于该门限值，则可视为满足上式，由于实验条件的限制，该门限值的获取本文采用了试凑法。

MEMS陀螺仪短时漂移特性实验研究-好

2007年2月 Journal of Chinese Inertial Technology Feb. 2007 文章编号：1005-6734(2007)01-0100-05 MEMS陀螺仪短时漂移特性实验研究 张海鹏1，2，房建成1 （1. 北京航空航天大学仪器科学及光电工程学院，北京 100083；2. 青岛海军潜艇学院，山东青岛 266071） 摘要：针对低精度MEMS陀螺仪适合短时间工作的特点，在不同采样频率下测试了常用MEMS陀螺仪的短时漂移，对比研究并分析讨论了各种被测MEMS陀螺仪的短时漂移特性，发现石英系列MEMS陀螺仪的短时漂移在高频采样时表现出显著的周期性，并说明测试石英MEMS陀螺仪需要高采样频率，应用时需精确标定补偿其周期特性。 关 键 词：陀螺漂移；周期项；功率谱密度；微机电陀螺仪；高频采样 中图分类号：U666.1 文献标识码：A Short-time drift characteristic of MEMS Gyroscope ZHANG Hai-peng1, FANG Jian-cheng1 (1. School of Instrument Science and Opto–electronics Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China; 2. Qingdao Navy Submarine Academe, Qingdao 266071, China) Abstract: Considering that MEMS gyroscope is suitable for short time working, the test experiments on gyroscope short-time drift were carried out under different sampling frequencies, and the experiments results were analyzed. It was found that the drift of quartz MEMS gyroscope had significant periodicity when the sampling frequency was high. It was shown that the test procedure of quartz MEMS gyroscopes should be performed under a high sampling frequency, and the accurate calibrating and compensation for periodic function was necessary in application. Key words: gyroscope drift; periodic function; power spectrum density; MEMS gyroscope; high sampling frequency 微机电系统（MEMS，micro electronic mechanical system）技术具有很多优势，基于此技术发展起来的MEMS陀螺仪具有体积小、重量轻、价格便宜等优点，近年来迅速得到广泛应用[1，2]。但MEMS陀螺仪性能不高，陀螺漂移是其主要的误差源，对MEMS陀螺仪漂移精确测试显得尤为重要。传统陀螺仪精度高，连续工作时间可达几小时、几天甚至几十天，其漂移测试采样频率低、时间长。例如文献[3]中光纤陀螺仪测试采样频率1 Hz，测试时间3 h；文献[4]中动力调谐陀螺仪采样频率0.167 Hz，采样时间40 h；文献[5]中采样频率0.033 Hz，采样时间6 h。目前MEMS陀螺仪的测试往往也参考已有测试标准[6–8]，采样频率较低、时间较长。实际上，MEMS陀螺仪性能普遍不高[1，2]，应用场合的连续工作时间很短，例如射程300 km的飞毛腿导弹飞行时间最多只有4 min[9]，而射程4000 m的中口径反导炮弹只需工作4～6 s[10]，工作在上述场合的MEMS陀螺仪已不适宜采样频率低、测试时间长的测试方法，而更需要研究它们的短时漂移特性。为此，本文在不同采样频率下对目前常用的几种MEMS陀螺仪的短时漂移进行了测试，分别在时域和频域下分析实验结果，发现石英系列MEMS陀螺仪与面硅和体硅MEMS陀螺仪不同，其漂移在高频采样时具有很强的周期性和规律性，为精确测试石英MEMS陀螺仪参数，提高其补偿精度和提高其惯组性能提供了又一思路。 1 MEMS陀螺仪漂移分析原理 1.1 陀螺漂移特点 陀螺仪漂移一般从宏观上分为确定部分和随机部分，确定部分是有规律的，寻找到规律性，并采用实时补偿法加以消除，如果补偿完善，可使有规律部分基本不影响陀螺仪使用精度。消除确定部分剩下的是随机部分，认为是噪声，实时补偿法对随机噪声无能为力，一般采用时间序列分析法对零漂数据进行建模，并应用卡尔曼滤波算法减小MEMS陀螺仪随机噪声的影响。因此，实际中需要尽可能多地标定其确定部分，减少随机部分。 收稿日期：2006-11-14；修回日期：2007-01-09 基金项目：国防基础研究重大项目（D2120060013），新世纪人才项目（NCET—04—0162） 作者简介：张海鹏（1977—），男，在读博士，讲师，研究方向为微小型惯性导航技术。E-mail：fdrk@https://www.wendangku.net/doc/37250716.html,