MEMS旋转调制式航姿参考系统设计及误差补偿
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式 平 台及捷 联 惯性 导 航 系 统 ， 尚没有 基 于 低 精 度 但
系统 结构 如 图 ２所示 ， 统 由 ２个单元 体组 成 ， 系 单元 体 １旋转 轴与 单 元 体 ２旋 转 轴 垂 直安 装 ， 分别 调制 ， Ｙ和 ， 陀螺 及加 速度计 。陀螺 选用 Ａ Ｄ公 司 的 Ｍ ＭＳ陀螺 ， Ｅ 其漂 移约 为 ３ 。 ｈ 加 速度 计 选用 ０／ ， Ｃ ｌ ｒｓ 司 的 ＭＥ ｏｉ ｙ 公 ｂ ＭＳ加 速 度 计 ， 零 偏 约 为 ０ １ 其 ．
所谓 旋转 调制 技术 ， 是指 在旋 转机 构 的拖动 下 ， 惯 性 器件 敏感 轴相 对 载 体 坐标 系旋 转 ， 而 使 得 与 从 旋 转 轴 正 交 方 向 的 陀 螺 或 加 速 度 计 的 常 值 （ 慢 或
单 元体 １的 ， Ｙ陀 螺 及 加 速 度 计 的输 出 信 号 ∞ ，ａ ， ： ｇ ：ａ， ， ， ， ｇ 经旋转 分解 后可 得到 机 体 系下 的角 速 率 及加 速度 信号 ，。 ，∞ ， 单 元 体 ２的 ， ， ， ａ ； 陀
ｔ ｎｃＭｅｈ ｎｃｌ ｙｔｍ） ｒ ｉ ｏ ｃａ ｉａ Ｓ ｓ ｅ 陀螺旋 转调 制技 术 的解 决 方 案 ， 究 了 陀螺 的 刻度 系数 误 差 以及 比例 敏 研
感 漂 移在旋 转调 制 下 的特 性 ， 分析 了旋 转调 制技 术 可 能 引入 的新误 差 ， 旋 转 分解 误 差 ， 如 涡动误 差 等 ； 对各 种不 同的误差 源 ， 出 了相 应 的误差 补偿 方 法 及 补偿 结 果 。 实验 结 果表 明 ， 误 差 补偿 针 给 经 后 ， 转调 制可 以将 ＭＥ 旋 ＭＳ陀螺 的精 度提 高近 ３ ０倍 ， 用 漂 移为 ３ 。ｈ的 ＭＥ Ｓ陀螺 可 以实 现优 利 ０／ Ｍ 于 １／ 。 ｈ的航 姿保 持精 度 。 关键 词 ：飞行器 控 制 、 导航 技术 ； 转调 制 ；航 姿参 考 系统 ；误 差模 型 ；微机 电系统 ；陀螺 旋
其 发展 的两 大重 要 主题 。降低 成本 的最 佳途径 是 使
ｏ 言 寰 Ｍ 葛 。 篓
限 于 速 率 级 ， 能 满 足 航 姿 测 量 的 需 求 ， 须 与 不 必 Ｇ Ｓ 磁场计 组 合才 能 完 成 姿 态 和航 向 的测 量 Ｐ、 。
利 用旋 转 调制 技术 是实 现将 其应 用于 航姿 参考 系统
变 ） 差被 调 制为 均值 为零 的周期 变 化 量 。 图 １为 误
绕 ｚ轴 旋 转 调制 示 意 图 ， 中 ｏｙ为 陀 螺 敏感 轴 坐 其 ｘ
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。引 言
航 姿 参考 系统 在 车辆导 航 、 航空 航天 、 机器 人 控 制等 领域 有着 广泛 的应 用 ， 降低 成 本 和 提 高 精 度 是
误 差模 型较 为 复杂 ， 旋转 调 制可 以消 除陀螺 的常 值 漂 移 ， 会 使 其 他 误 差 变 得 复 杂 ， 刻 度 系 数 误 但 如 差 、 比力敏 感 漂移 等 ； 外 ， 转 调 制 还将 引入 新 的 此 旋 误差 ， 如旋 转 角速 率耦 合误 差 、 坐标 分 解 误 差 、 转 旋 轴 涡动误 差等 ， 这些 误差 均具 有较 大 的量值 ， 为确 保 系统 输 出精度 ， 必须 进行 完整 的误 差建 模 与补偿 。
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ｓ ｅｒ 司 提 出旋 转 调 制技 术 以来 ， 界 上 主 要研 ｐｒ ｙ公 世 为零 的周 期分 量 。
三 三 ㈩ 二 ． ’
由式 （ ） 知 ， 螺 的常 值 漂 移 被 调 制 成 均 值 １可 陀
１ ２ 系统 结 构 及 工 作 原 理 ．
究 机 构先后 成 功研制 了基 于高 精度 陀螺 的旋 转调 制
第３ ２卷 第 ６期
２０１ １年 ６月
兵
工
学
报
Ｖ０ ． ＮＯ ６ １ ３２ ．
ＡＣＴＡ ＡＲＭＡＭ ＥＮＴＡＲＩ Ｉ
Ｊ ｎ ｕ．
２ １ ０ １
ＭＥ ＭＳ旋 转 调 制 式 航 姿 参 考 系统 设 计 及 误 差 补 偿
徐 烨 烽 仇 海 涛 何 孟 珂 ， ， ，孟 庆 季
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１ ５ ． ． ８”
ｌ 系统 设 计
单 元体 １ 单 兀体 ２
１ １ 旋 转 调 制 技 术 简 介 ．
图 ２ 系 统 结 构 示 意 图
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（ ．北 京航 空 航 天 大 学 仪 器 科 学 与 光 电工 程 学 院 ， 京 １０ ９ ；．北 京 航 天 控 制 仪 器 研 究 所 ，北 京 １０ ５ ； １ 北 ０ １ １２ ０ ８ ４
３ ．国 家 知 识 产 权 局 专 利 审查 协 作 中心 ，北 京 １０９ ０ １０）
摘 要 ：为 了实现 中精 度 、 成本 的航 姿 参 考 系 统 ， 出 了一种 基 于低 精 度 ＭＥ （ ｃｏＥｅ— 低 提 ＭＳ Ｍｉ ｌｃ ｒ
（ ＨＲ ） ｈ ｐ ｒａｈｏ ｓ ｇ ｏ ｔ ｇ ｄ ｌ ｉｎｔ ｈ ｏｏｙ ａｅ ｎｌ —ｅ ｏｍ ｎｅｍｉ ｏｅ ｃ ｏ — Ａ Ｓ ，ｔｅａｐｏｃ ｆ ｉ ｔ ｉ ｕａ ｏ ｃ ｎ ｌ ｓｄｏ ｗ ｐｒ ｒ ａ ｃ ｃ ｌ ｔ ｎ ｕ ｎ ｒ ａ ｎ ｍｏ ｔ ｅ ｇｂ ｏ ｆ ｒ ｅｒ ｉ ｍ ｃ ａｉａ ｓｓ ｍ （ ＭＳ ｙｏｉ ｐｏｏｅ ．Ｔ ｅｆ ｔｒｓｏ ｇｒ ’ ｃｌ ｆ ｔ ｒ ｒａ ｄａｃｌｒ— ｃ ｅｈ ｎｃｌ ｙｔ ｅ ＭＥ ）ｇｒ ｓ ｒｐ ｓｄ ｈ ｅ ｕｅ ｆ ｙｏ Ｓ ａ ａ ｏ ｅｒ ｎ ｃ ｅ ａ ａ ｓ ｅ ｃｒ ｏ ｅ
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收 稿 日 期 ：２０ ０ ９一Ｉ ２ １— ０
作 者 简 介 ：徐 烨 烽 （９ ２ ） 男 ， 师 。Ｅ— ｉ： ｙ＠ ｂ ａ．ｄ ．ｎ １ ８一 ， 讲 ｍａ ｘｆ ｕａ ｅｕ ｃ ｌ
６ ９ ２
的可行 途径 。
兵 工 学 报
第３卷 ２
旋 转 调 制 技术 是 惯 性器 件 的误 差 自补 偿技 术 ， 它 可 以将 陀螺 的常值 漂移 调制 成均 值为 零 的周期 分 量 ， 之不 再成 为影 响 系统 精 度 的 主要 因素 。 自 使
ＭＥ ＭＳ器件 的系统 出现 。 国内对旋 转调 制 技术 的研
究 刚 刚 起 步 ， 其 中 的 关 键 问 题 的 研 究 尚 不 深 对
入 一 。
本文 提 出 了一 种 基 于 低 精 度 ＭＥ Ｓ陀螺 旋 转 Ｍ 调制 技术 的 解 决 方 案 。ＭＥ ＭＳ陀 螺 常 值 漂 移较 大 ，
中图分 类号 ： ２ ９ ３ ２ Ｖ ４ ． ２ 文献标 志 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ —０ ３ ２ １ ） ６０ ９ —６ ０ ０ １９ （ ０ １ ０ －６ １０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｒ Ｃｏ ｐｅ ｓ ｔｏ ｆＭ ＥＭ Ｓ Ｒｏ ａ ｉ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ＡＨＲＳ ｓｇ ｎｄ Ｅｒ ｏ ｍ ｎ ａ ｉｎ ｏ ｔ ｔｎｇ Ｍ ｄ ｌ ｔｏ
系统 结构 如 图 ２所示 ， 统 由 ２个单元 体组 成 ， 系 单元 体 １旋转 轴与 单 元 体 ２旋 转 轴 垂 直安 装 ， 分别 调制 ， Ｙ和 ， 陀螺 及加 速度计 。陀螺 选用 Ａ Ｄ公 司 的 Ｍ ＭＳ陀螺 ， Ｅ 其漂 移约 为 ３ 。 ｈ 加 速度 计 选用 ０／ ， Ｃ ｌ ｒｓ 司 的 ＭＥ ｏｉ ｙ 公 ｂ ＭＳ加 速 度 计 ， 零 偏 约 为 ０ １ 其 ．
所谓 旋转 调制 技术 ， 是指 在旋 转机 构 的拖动 下 ， 惯 性 器件 敏感 轴相 对 载 体 坐标 系旋 转 ， 而 使 得 与 从 旋 转 轴 正 交 方 向 的 陀 螺 或 加 速 度 计 的 常 值 （ 慢 或
单 元体 １的 ， Ｙ陀 螺 及 加 速 度 计 的输 出 信 号 ∞ ，ａ ， ： ｇ ：ａ， ， ， ， ｇ 经旋转 分解 后可 得到 机 体 系下 的角 速 率 及加 速度 信号 ，。 ，∞ ， 单 元 体 ２的 ， ， ， ａ ； 陀
ｔ ｎｃＭｅｈ ｎｃｌ ｙｔｍ） ｒ ｉ ｏ ｃａ ｉａ Ｓ ｓ ｅ 陀螺旋 转调 制技 术 的解 决 方 案 ， 究 了 陀螺 的 刻度 系数 误 差 以及 比例 敏 研
感 漂 移在旋 转调 制 下 的特 性 ， 分析 了旋 转调 制技 术 可 能 引入 的新误 差 ， 旋 转 分解 误 差 ， 如 涡动误 差 等 ； 对各 种不 同的误差 源 ， 出 了相 应 的误差 补偿 方 法 及 补偿 结 果 。 实验 结 果表 明 ， 误 差 补偿 针 给 经 后 ， 转调 制可 以将 ＭＥ 旋 ＭＳ陀螺 的精 度提 高近 ３ ０倍 ， 用 漂 移为 ３ 。ｈ的 ＭＥ Ｓ陀螺 可 以实 现优 利 ０／ Ｍ 于 １／ 。 ｈ的航 姿保 持精 度 。 关键 词 ：飞行器 控 制 、 导航 技术 ； 转调 制 ；航 姿参 考 系统 ；误 差模 型 ；微机 电系统 ；陀螺 旋
其 发展 的两 大重 要 主题 。降低 成本 的最 佳途径 是 使
ｏ 言 寰 Ｍ 葛 。 篓
限 于 速 率 级 ， 能 满 足 航 姿 测 量 的 需 求 ， 须 与 不 必 Ｇ Ｓ 磁场计 组 合才 能 完 成 姿 态 和航 向 的测 量 Ｐ、 。
利 用旋 转 调制 技术 是实 现将 其应 用于 航姿 参考 系统
变 ） 差被 调 制为 均值 为零 的周期 变 化 量 。 图 １为 误
绕 ｚ轴 旋 转 调制 示 意 图 ， 中 ｏｙ为 陀 螺 敏感 轴 坐 其 ｘ
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误 差模 型较 为 复杂 ， 旋转 调 制可 以消 除陀螺 的常 值 漂 移 ， 会 使 其 他 误 差 变 得 复 杂 ， 刻 度 系 数 误 但 如 差 、 比力敏 感 漂移 等 ； 外 ， 转 调 制 还将 引入 新 的 此 旋 误差 ， 如旋 转 角速 率耦 合误 差 、 坐标 分 解 误 差 、 转 旋 轴 涡动误 差等 ， 这些 误差 均具 有较 大 的量值 ， 为确 保 系统 输 出精度 ， 必须 进行 完整 的误 差建 模 与补偿 。
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究 机 构先后 成 功研制 了基 于高 精度 陀螺 的旋 转调 制
第３ ２卷 第 ６期
２０１ １年 ６月
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ｌ 系统 设 计
单 元体 １ 单 兀体 ２
１ １ 旋 转 调 制 技 术 简 介 ．
图 ２ 系 统 结 构 示 意 图
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｔ ｈ Ｍ ａ ｆ ｔ ｙ ｔ ｍ ’Ｓ ｓ ｒ ｅ ｕｒ ｉ ． ｋｅ ｃ ｐ ｏ ｈｅ ｓ ｓ ｅ ｔｕ ｔ ｅ
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（ ．北 京航 空 航 天 大 学 仪 器 科 学 与 光 电工 程 学 院 ， 京 １０ ９ ；．北 京 航 天 控 制 仪 器 研 究 所 ，北 京 １０ ５ ； １ 北 ０ １ １２ ０ ８ ４
３ ．国 家 知 识 产 权 局 专 利 审查 协 作 中心 ，北 京 １０９ ０ １０）
摘 要 ：为 了实现 中精 度 、 成本 的航 姿 参 考 系 统 ， 出 了一种 基 于低 精 度 ＭＥ （ ｃｏＥｅ— 低 提 ＭＳ Ｍｉ ｌｃ ｒ
（ ＨＲ ） ｈ ｐ ｒａｈｏ ｓ ｇ ｏ ｔ ｇ ｄ ｌ ｉｎｔ ｈ ｏｏｙ ａｅ ｎｌ —ｅ ｏｍ ｎｅｍｉ ｏｅ ｃ ｏ — Ａ Ｓ ，ｔｅａｐｏｃ ｆ ｉ ｔ ｉ ｕａ ｏ ｃ ｎ ｌ ｓｄｏ ｗ ｐｒ ｒ ａ ｃ ｃ ｌ ｔ ｎ ｕ ｎ ｒ ａ ｎ ｍｏ ｔ ｅ ｇｂ ｏ ｆ ｒ ｅｒ ｉ ｍ ｃ ａｉａ ｓｓ ｍ （ ＭＳ ｙｏｉ ｐｏｏｅ ．Ｔ ｅｆ ｔｒｓｏ ｇｒ ’ ｃｌ ｆ ｔ ｒ ｒａ ｄａｃｌｒ— ｃ ｅｈ ｎｃｌ ｙｔ ｅ ＭＥ ）ｇｒ ｓ ｒｐ ｓｄ ｈ ｅ ｕｅ ｆ ｙｏ Ｓ ａ ａ ｏ ｅｒ ｎ ｃ ｅ ａ ａ ｓ ｅ ｃｒ ｏ ｅ
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收 稿 日 期 ：２０ ０ ９一Ｉ ２ １— ０
作 者 简 介 ：徐 烨 烽 （９ ２ ） 男 ， 师 。Ｅ— ｉ： ｙ＠ ｂ ａ．ｄ ．ｎ １ ８一 ， 讲 ｍａ ｘｆ ｕａ ｅｕ ｃ ｌ
６ ９ ２
的可行 途径 。
兵 工 学 报
第３卷 ２
旋 转 调 制 技术 是 惯 性器 件 的误 差 自补 偿技 术 ， 它 可 以将 陀螺 的常值 漂移 调制 成均 值为 零 的周期 分 量 ， 之不 再成 为影 响 系统 精 度 的 主要 因素 。 自 使
ＭＥ ＭＳ器件 的系统 出现 。 国内对旋 转调 制 技术 的研
究 刚 刚 起 步 ， 其 中 的 关 键 问 题 的 研 究 尚 不 深 对
入 一 。
本文 提 出 了一 种 基 于 低 精 度 ＭＥ Ｓ陀螺 旋 转 Ｍ 调制 技术 的 解 决 方 案 。ＭＥ ＭＳ陀 螺 常 值 漂 移较 大 ，
中图分 类号 ： ２ ９ ３ ２ Ｖ ４ ． ２ 文献标 志 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ —０ ３ ２ １ ） ６０ ９ —６ ０ ０ １９ （ ０ １ ０ －６ １０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｒ Ｃｏ ｐｅ ｓ ｔｏ ｆＭ ＥＭ Ｓ Ｒｏ ａ ｉ ｏ ｕ ａ ｉ ｎ ＡＨＲＳ ｓｇ ｎｄ Ｅｒ ｏ ｍ ｎ ａ ｉｎ ｏ ｔ ｔｎｇ Ｍ ｄ ｌ ｔｏ