專利名稱：：正交雙高精度加速度計測試裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于航空航天慣性導航中高精度慣性元件的測試
技術領域：
，特別是針對小型加速度計誤差模型參數(shù)辨識的方法。
背景技術：
：慣性導航的核心元件是加速度計和陀螺儀，利用傳感器的測量信息可計算出載體的姿態(tài)、速度、位置等導航參數(shù)。所以它們的精度直接影響導航和制導系統(tǒng)的精度。但受到目前加工工藝水平和技術的限制，研制高精度加速度計代價十分昂貴，而且精度提升空間不大。所以需要從測試技術和辨識方法入手，對加速度計測試并建誤差模型，對誤差系數(shù)進行參數(shù)標定，補償各類誤差對精度的影響。在加速度計測試實驗中，通常采用高精度分度頭進行1重力場的參數(shù)標定。由于轉(zhuǎn)角誤差的存在，單表模型的辨識結(jié)果往往不理想。現(xiàn)有技術中，為了達到Iyg的測試精度，要求測試儀表、設備的精度以及安裝誤差如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>誤差傳遞公式為1)模型截斷誤差由分度頭和六面體夾具誤差巧產(chǎn)生的加速度計輸入軸繞水平χ軸的旋轉(zhuǎn)，將導致重力加速度投影誤差。該誤差一般為高階小量，在模型(1)中被忽略掉，其不確定度(3τ)小于(3巧)2g/20.1湘；2)量測噪聲誤差由數(shù)字萬用表、溫度漂移等產(chǎn)生的量測噪聲不確定度(1σ)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>代表了測試的精度；3)系數(shù)分離誤差由光電自準直儀和多面棱體誤差引起的加速度計零次項的不確定度(1”為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>次項總不確定度(1σ)為0.3私g。其它系數(shù)的分離誤差與總的試驗位置數(shù)有關，但不會超過0.3/ig。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有加速度測試中，由于轉(zhuǎn)角誤差的存在導致誤差參數(shù)標定不準確，進而獲得的加速度記得模型不理想的問題，本發(fā)明提出了一種正交雙高精度加速度計測試裝置。本發(fā)明所述的正交雙高精度加速度計測試裝置包括A加速度計、B加速度計，光柵分度頭、多面體棱鏡、固定夾具和光電自準值儀，固定夾具安裝在光柵分度頭的主軸上，A加速度計、B加速度計固定在該固定夾具上，所述A加速度計的法線垂直于B加速度計的法線，并且A加速度計的法線和B加速度計的法線均與光柵分度頭的主軸中心線相交，多面體棱鏡與光柵分度頭相互平行，并且該多面體棱鏡與所述光柵分度頭同軸固定連接，該多面體棱鏡中的兩個鏡面的法線分別與A加速度計的法線和B加速度計的法線相平行，光電自準值儀的測量光束能夠垂直入射至多面體棱鏡的一個反射面上，且與A加速度計2a的法線平行。所述光柵分度頭，是現(xiàn)有高回轉(zhuǎn)精度的主軸系統(tǒng)，以高精度光柵盤作為測量基準，采用了光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字電路、驅(qū)動手輪，運動靈活平穩(wěn)，無空程及制動盤鎖緊等技術，它是一種數(shù)字顯示的高精度測角儀器。所述加速度計，是測量運載體線加速度的儀表，是慣性導航系統(tǒng)的核心元件。本發(fā)明采用的是高精度加速度計。所述多面體棱鏡，是一種反射裝置，利用它可以對一束光線的反射性能，可以檢測反射光訊號是否沿原發(fā)射方向返回。固定夾具，是安裝在光柵分度頭上，用于夾住加速度計等被測物體的夾具。光電自準值儀，是依據(jù)光學自準直成像原理，通過Zi^發(fā)光元件和線陣CT々成像技術設計而成。由內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對儀》信號進行實時采集處理，可同時完成兩個維度的角度測量。本發(fā)明中的A加速度計和B加速度計相互垂直固定。本發(fā)明所述的正交雙高精度加速度計測試裝置采用正交雙表法實現(xiàn)測試，本發(fā)明中的兩個加速度計的輸入軸相互垂直，可以將兩個加速度計的輸出方程合并，忽略其高階小量，得到g2觀測方程。應用此方法可有效消除設備轉(zhuǎn)角誤差的影響。本發(fā)明針對小型高精度加速度計設計了一種正交雙高精度加速度計測試裝置，在重力場做多位置翻滾試驗測試中利用正交雙表法，在光柵分度頭的主軸上添加了與固定夾具同步的多面體棱鏡，利用光電自準值儀成像原理，可精確辨識加速度計誤差模型的零次項和一次項，再結(jié)合正交雙表法的/觀測模型，達到辨識高精度加速度計誤差模型系數(shù)的目的，采用本發(fā)明的正交雙高精度加速度計測試裝置實現(xiàn)高精度加速度計誤差模型系數(shù)的估計，能夠顯著提高辨識精度，辨識精度能夠達到1μgo采用本發(fā)明所述的正交加速度計的測試裝置獲得加速度計誤差模型系數(shù)的估計的過程為首先，采用多位置翻滾測試的方法，同時記錄兩個加速度計在不同試驗角位置時的采樣輸出值，采樣時間足夠長以保證測量結(jié)果滿足要求的分辨率、穩(wěn)定性或者重復性。相鄰兩個試驗角位置數(shù)的差一般在20到40之間，并且須包括0°、90°、180°、270°四個位置，該該四個位置分別對應^表的A加速度計輸入軸水平、豎直向上、水平和豎直向下的四種情況。其中180°和270°兩個位置由光電自準值儀和多面體棱鏡根據(jù)0°和90°進行校正首先分別記下分度頭位于0°和90°位置時光電自準值儀的讀數(shù)，然后，當光柵分度頭旋轉(zhuǎn)到18CT時，微調(diào)光柵分度頭的轉(zhuǎn)角使光電自準值儀的讀數(shù)與0°時相同，同理，當光柵分度頭旋轉(zhuǎn)到270°位置時，微調(diào)光柵分度頭的轉(zhuǎn)角使光電自準值儀的讀數(shù)與90°時相同。根據(jù)上述四個角度位置獲得的加速度計的輸出信息，獲得A加速度計的標度因數(shù)中的零次參數(shù)tM和一次參數(shù)iM，以及B加速度計的標度因數(shù)中的零次參數(shù)和一次參數(shù)4；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>和礙2表示多面體棱鏡的工作角檢測誤差；g表示重力加速度。然后，對下面的g2觀測方程應用上述提到的辨識方法進行參數(shù)辨識，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(19)其中Js分別表示J表(對應A加速度計)和i表(對應B加速度計)輸出采樣值，^表示轉(zhuǎn)角位置，下腳標是對應的光柵分度頭101轉(zhuǎn)角位置；不包括上面提到的四個位置(0°、90°、180°、270°四個位置);獲得兩個加速度計誤差模型系數(shù)的估計結(jié)果，^^是A表的交叉耦合系數(shù)是B表的交叉耦合系數(shù)，是A加速度計的小修正值，在單表中通過辨識得到，Km=^m0(1+^),i'J是A加速度計的標度因數(shù)標稱值，可預先獲知。k抵是B加速度計的小修正值，在單表中通過辨識得到，Ka=Km°(i+kM),是B加速度計的標度因數(shù)標稱值，可預先獲知。所述A加速度計和B加速度計的模型方程分別為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中Ad、知分別表示在A加速度計和B加速度計在角位置0°時的安裝誤差角，對于單表，他也是待估計參數(shù)，可被辨識。而雙表，則變?yōu)榉钦徽`差7,數(shù)值上等于At)-各ο。&和0^我們并不關心，它只是一個初始安裝狀態(tài)。δ藥是加速度計在轉(zhuǎn)角—彳1置時的轉(zhuǎn)角誤差，=t-M,N是角位置數(shù)。上述安裝誤差角是在安裝時，由于卡具的粗糙度或連接的公差配合，使加速度計的輸入軸與0°方向存在的偏差。令？表示正交雙表法中的兩表的非正交誤差，即0—Sm,并且忽略掉各誤差項系數(shù)的平方或相互乘積(高階小量)，則正交二表法的兩個加速度計的模型方程為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>將上式展開成三角函數(shù)級數(shù)得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>利用高過載試驗，比如精密離心機試驗，能夠以較高的精度分離出高階誤差項系數(shù)A項和A項等等。將離心機試驗中得到的乾代入到模型方程中就能夠解決耦合問題。由式(4)可以看出A表的&。、Ka2和B表的存在線性相關，導致這些參數(shù)在一次實驗中無法完全分離出來。但是如果事先已知其中的某一項系數(shù)，比如&。，則其它兩項系數(shù)就可以分離了。同樣B表的ApAp和A表的之間也存在耦合問題。忽略掉其中的一項系數(shù)就可以解決耦合問題，過去由于二次項系數(shù)較小，在l^g/g2左右，所以在重力場試驗中通常被忽略掉。但是如果要實現(xiàn)lA'g的測試精度，那么忽略掉的&項將變成系統(tǒng)誤差而影響到其它誤差項系數(shù)的辨識精度，比如正倒置試驗中忍的估值與真值的偏差總包含&項。一般地，利用高過載試驗，比如精密離心機試驗，能夠以較高的精度分離出高階誤差項系數(shù)A項和A項等等。將離心機試驗中得到的尾代入到模型方程中就能夠解決耦合問題。但是精密離心機試驗的費用很昂貴，而且實驗過程也比較復雜。而本發(fā)明的方法是能夠直接從重力場試驗中分離出&項。將式(4)寫成矩陣形式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中J=Cvi,乃,...>■)『是觀測值，,&是假設在《位置時的測量噪聲；KWK^KBikj^k^iKj^KnK^^B^f是待辨識參數(shù)，即被估計參數(shù)；A為系數(shù)矩陣，正交雙表模型的具體形式為「sin瑪—cos與sin2^cos2馬an^cos^co^^sin3^anJ^oos瑪sin乓cos2與sin^—cos馬an2cos2馬sinB2cos&2cos3Q2smQisin2馬oos馬an馬cos2Q1<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>形如式(5)的多變量線性模型=的最小二乘估計表達式為(7)當采用經(jīng)驗貝葉斯來估計時，具體描述如下假設7關于參數(shù)^的條件概率密度函數(shù)，服從以下正態(tài)分布，即Y\K~N(AKXf)(8)其中——《XI的列向量；K——PiXl的待估計參數(shù)向量；j——ηχΡι的系統(tǒng)矩陣(已知)；C——的協(xié)方差矩陣；上；it、表示待辨識參數(shù)的個數(shù)；對于雙表，P1=L作進一步假設，考慮f的先驗概率密度函數(shù)服從以下正態(tài)分布，即K-M(ATrCf)(9)其中K'——的參數(shù)向量；身——PlxP2的系統(tǒng)矩陣；C--PiXPi的協(xié)方差矩陣；表示的個數(shù)。對于式(8)，Y是服從均值為JT，方差為C的正態(tài)分布，而對于式(9)，作進一步假設，將K作為了觀測值(類似于Y)，K服從均值為夏'，方差為C、的正態(tài)分布。若J'、K1、C'均已知，可以得到的邊緣分布，即Y~N(AA'K',C+ACAr)(10)和f的后驗分布，即K\y~N(Dd,D)(11)其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>A「(￡tf力)表示均值為，方差為D的正態(tài)分布。所以，E(K\y)^Dd可以作為尤的點估計，方差的估計為妁=D。若取2=I，K=β,C=一/,，當CT1=0時，可以理解為沒有任何先驗知識，此時有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>,與最小二乘估計結(jié)果一致，crCT^表示η階單位陣；一是方差。利用多組單表試驗數(shù)據(jù)，用普通最小二乘法，求出交叉耦合項系數(shù)Aip和^^的估值和方差(‘，4^)，如下選取<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(16)最后可得出參數(shù)^的貝葉斯估計值。本發(fā)明的顯著效果是采用本發(fā)明所述的測試裝置對正交雙加速度計進行標定，可以有效地消除測試設備轉(zhuǎn)角誤差對加速度計誤差系數(shù)標定的影響，提高重力場試驗精度，尤其適合精度高于1μg的加速度計測試場合。圖1和圖2是本發(fā)明所述的一種正交雙高精度加速度計測試裝置的立體結(jié)構示意圖，圖3是本發(fā)明所述的一種正交雙高精度加速度計測試裝置的正視圖，圖4是圖3的側(cè)視圖，圖5是圖3的A-A剖視圖，圖6是圖3的B-B剖視圖。具體實施例方式具體實施方式一本實施方式所述的正交雙高精度加速度計測試裝置包括A加速度計2a、B加速度計2b，光柵分度頭101、多面體棱鏡103、固定夾具104和光電自準值儀108，固定夾具104安裝在光柵分度頭101的主軸上，A加速度計2a、B加速度計2b固定在該固定夾具104上，所述A加速度計2a的法線垂直于B加速度計2b的法線，并且A加速度計2a的法線和B加速度計2b的法線均與光柵分度頭101的主軸中心線相交，多面體棱鏡103與光柵分度頭101相互平行，并且該多面體棱鏡103與所述光柵分度頭101同軸固定連接，該多面體棱鏡103中的兩個鏡面的法線分別與A加速度計2a的法線和B加速度計2b的法線相平行，光電自準值儀108的測量光束能夠垂直入射至多面體棱鏡103的一個反射面上，且與A加速度計2a的法線平行。所述光柵分度頭101，是現(xiàn)有高回轉(zhuǎn)精度的主軸系統(tǒng)，以高精度光柵盤作為測量基準，采用了光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字電路、驅(qū)動手輪，運動靈活平穩(wěn)，無空程及制動盤鎖緊等技術，它是一種數(shù)字顯示的高精度測角儀器。本實施方式中的光柵分度頭101的0°角方向與A加速度計2a的法線方向相同。所述加速度計，是測量運載體線加速度的儀表，是慣性導航系統(tǒng)的核心元件。本實施方式中采用的是高精度加速度計。所述多面體棱鏡103，是一種反射裝置，利用它可以對一束光線的反射性能，可以檢測反射光訊號是否沿原發(fā)射方向返回。本實施方式所述的多面體棱鏡103可以采用帶有偶數(shù)個反射面的多面體棱鏡，并且有兩個反射面相互垂直。固定夾具104，是安裝在光柵分度頭上，用于夾住加速度計等被測物體的夾具。光電自準值儀108，是依據(jù)光學自準直成像原理，通過Zi^發(fā)光元件和線陣CCD成像技術設計而成。由內(nèi)置的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對CCD信號進行實時采集處理，可同時完成兩個維度的角度測量。本實施方式所述的光電自準值儀108的，具體實施方式二本實施方式與具體實施方式一所述的正交雙高精度加速度計測試裝置的區(qū)別在于，它還包括鋼性墊片105，所述鋼性墊片105固定在加速度計與固定夾具104之間。即在A加速度計2a和固定夾具104之間固定有一個鋼性墊片105；在B加速度計2b和固定夾具104之間固定有一個鋼性墊片105。所述鋼性墊片105是用于連接加速度計與固定夾具的鋼體。具體實施方式三本實施方式與具體實施方式一所述的正交雙高精度加速度計測試裝置的區(qū)別在于，它還包括棱體座106，多面體棱鏡103通過棱體座106固定在固定夾具104上。該棱體座106固定在固定夾具104的與光柵分度頭101相平行的側(cè)面上，多面體棱鏡103安裝在棱體座106上。所述棱體座106是連接多面體與固定夾具的座體。本實施方式中的多面體棱鏡103和棱體座106之間，可以采用緊固螺帽107固定連接。采用本實施方式所述的正交雙高精度加速度計測試裝置實現(xiàn)正交雙高精度加速度計的標定一.旋轉(zhuǎn)光柵分度頭101，進行多位置翻滾測試，在測試過程中的每個角度位置記錄A加速度計2a和B加速度計2b的采樣輸出值4和《，其中4和K的下腳標η是對應的光柵分度頭101的轉(zhuǎn)角位置；所述η包括0°、90°、180°、270°四個位置，當光柵分度頭101位于0°和90°位置時，采用光電自準值儀108射出的光束經(jīng)多面體棱鏡103反射，并記錄可確定光柵分度頭的位置，然后，當旋轉(zhuǎn)光柵分度頭101位于180°時，微調(diào)光柵分度頭101的旋轉(zhuǎn)角度，使得光電自準值儀108的讀數(shù)與光柵分度頭101位于0°時相同，當旋轉(zhuǎn)光柵分度頭101位于270°時，微調(diào)光柵分度頭101的旋轉(zhuǎn)角度，使得光電自準值儀108的讀數(shù)與光柵分度頭101位于90°時相同，定義光柵分度頭101位于0°時的位置為水平位置；二.根據(jù)步驟一獲得的A加速度計2a和B加速度計2b的采樣輸出值劣和K,利用公式(17)和(18)，可計算零次項和一次項；三.將已經(jīng)計算好的零次項和一次項代入正交雙表的g2觀測方程中，化簡可以得到式(19)；四.對于式(1)和(2)，利用式(7)的估計方法可先將估計出并代入式(16);五.利用貝葉斯參數(shù)估計方法計算出式(12)和(13)的參數(shù)，即得到模型的各個誤差系數(shù)，最終獲得正交雙高精度加速度計的誤差模型，完成對正交雙高精度加速度計的標定。權利要求正交雙高精度加速度計測試裝置，其特征在于它包括A加速度計(2a)、B加速度計(2b)，光柵分度頭(101)、多面體棱鏡(103)、固定夾具(104)和光電自準值儀(108)，固定夾具(104)安裝在光柵分度頭(101)的主軸上，A加速度計(2a)、B加速度計(2b)固定在該固定夾具(104)上，所述A加速度計(2a)的法線垂直于B加速度計(2b)的法線，并且A加速度計(2a)的法線和B加速度計(2b)的法線均與光柵分度頭(101)的主軸中心線相交，多面體棱鏡(103)與光柵分度頭(101)相互平行，并且該多面體棱鏡(103)與所述光柵分度頭(101)同軸固定連接，該多面體棱鏡(103)中的兩個鏡面的法線分別與A加速度計(2a)的法線和B加速度計(2b)的法線相平行，光電自準值儀(108)的測量光束能夠垂直入射至多面體棱鏡(103)的一個反射面上，且與A加速度計(2a)的法線平行。2.根據(jù)權利要求1所述的正交雙高精度加速度計測試裝置，其特征在于，所述固定夾具(104)為正六面體。3.根據(jù)權利要求1所述的正交雙高精度加速度計測試裝置，其特征在于，所述多面體棱鏡(103)包括偶數(shù)個反射面，并且有兩個反射面相互垂直。4.根據(jù)權利要求1所述的正交雙高精度加速度計測試裝置，其特征在于，它還包括鋼性墊片(105)，在A加速度計(2a)和固定夾具(104)之間固定有一個鋼性墊片(105)；在B加速度計(2b)和固定夾具(104)之間固定有一個鋼性墊片(105)。5.根據(jù)權利要求1所述的正交雙高精度加速度計測試裝置，其特征在于，它還包括棱體座(106)，多面體棱鏡(103)通過棱體座(106)固定在固定夾具(104)上。全文摘要正交雙高精度加速度計測試裝置，涉及一種雙高精度加速度計測試裝置。本發(fā)明解決了由于轉(zhuǎn)角誤差的存在而導致加速度計誤差參數(shù)標定不準確的問題。本發(fā)明中的A加速度計和B加速度計相互正交固定在固定夾具上，所述固定夾具安裝在光柵分度頭的主軸上，A加速度計和B加速度計的法線相互垂直，且A加速度計的法線、B加速度計的法線均與光柵分度頭的主軸相交，多面體棱鏡與光柵分度頭相互平行，且與該光柵分度頭同軸固定連接，該多面體棱鏡中的兩個鏡面的法線分別與A加速度計的法線和B加速度計的法線相平行。本發(fā)明采用光電自準值儀和多面體棱鏡對光柵分度頭的旋轉(zhuǎn)角位置進行校正，提高了重力場試驗精度，適用于精度高于1μg的加速度計測試場合。文檔編號G01P21/02GK101819216SQ201010164388公開日2010年9月1日申請日期2010年5月6日優(yōu)先權日2010年5月6日發(fā)明者劉雨,姜巖松,常舒宇,楊毓,蘇寶庫,鄒宇申請人:哈爾濱工業(yè)大學