gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0016gyroscopy-263Research ArticleСтатьиМетодика калибровки тепловой модели блока чувствительных элементов, состоящего из трех датчиков угловой скоростиCalibration Methodology for a Thermal Model of a 3-Axis Measurement Unit Based on GyroscopesТарыгинИ. Е.TaryginI. E.

Тарыгин Илья Евгеньевич. Аспирант, лаборатория управления и навигации

МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва).РоссияLomonosov Moscow State University, Moscow,Russian Federation20191811202527488102Copyright © Тарыгин И.Е., 20252025Тарыгин И.Е.Tarygin I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/263

Рассматриваются методические аспекты задачи калибровки блока, состоящего из трех датчиков угловой скорости (ДУС), с использованием измерений от двухосного поворотного калибровочного стенда с термокамерой. Для инструментальных погрешностей измерений датчиков угловой скорости вводится априорная параметрическая модель, содержащая сдвиги нулей, погрешности масштабных коэффициентов, малые углы неортогональности осей чувствительности, а также коэффициенты зависимости от температуры для всех перечисленных погрешностей измерений. Задача определения параметров введенной параметрической модели сводится к оптимальной оценке вектора состояния линейной динамической системы по вектору измерений, линейно связанному с вектором состояния. При такой постановке задачи вектором измерений является вектор малого поворота между модельной (вычисленной по показаниям ДУС) ориентацией блока и модельной (вычисленной по измерениям стенда) ориентацией планшайбы. Предлагаемый подход формализации задачи калибровки является модификацией разработанного ранее в лаборатории управления и навигации МГУ им. М.В. Ломоносова метода калибровки инерциальных измерительных блоков в сборе на грубых одноосных стендах с горизонтальной осью вращения. Калибровочный эксперимент представляет собой последовательность горизонтальных вращений вокруг каждой из осей чувствительности ДУС. В работе приводятся результаты численного моделирования и ковариационного анализа.

The paper considers the methodological aspects of calibration of a 3-axis gyroscope unit on a two-axis calibration turntable with a thermal chamber. For the instrumental errors of angular rate sensor (ARS) measurements, an a priori parametric model is introduced, which includes bias, scale factor errors, small angles of sensitive axes nonorthogonality, as well as the coefficients of temperature variations for all the above measurement errors. The problem of parameters identification for the parametric model consists in the optimal estimation of the state vector of linear dynamic system, based on the vector of measurements linearly linked with the state vector. In such a statement, the vector of measurements is the vector of small turn between the simulated (calculated by the ARS readings) attitude of the unit and the simulated (calculated by the turntable measurements) attitude of the base plate. The proposed approach to the calibration problem formal characterization is a modification of the method of inertial measurement unit calibration, previously developed at the Lomonosov Moscow State University’s Laboratory of Control and Navigation. The method allows for assembled units calibration on low-grade one-axis turntables with horizontal axis of rotation. The calibration experiment is a sequence of horizontal rotations about each of the sensitive axes of ARS. The paper presents the results of numerical modeling and covariance analysis.

Калибровка гироскоповфильтр Калманаоптимальное оцениваниетемпературные зависимости.Gyroscope calibrationoptimal estimationKalman filtertemperature variations.ReferencesГолован А.А., Парусников Н.А. Математические основы навигационных систем. Часть II. Приложения методов оптимального оценивания к задачам навигации / 2-е изд. испр. и доп. Москва: МАКС Пресс, 2012. 172 с.Golovan, A.A., Parusnikov, N.A., Matematicheskie osnovy navigatsionnykh sistem. Chast’ 2. Prilozheniya metodov optimal’nogo otsenvaniya k zadacham navigatsii (Mathematical Fundamentals of Navigation Systems. Part 2. Application of Optimal Estimation Methods to Navigation Problems), Moscow: MAKS Press, 2012.Веремеенко К.К., Галай И.А. Разработка алгоритмов калибровки инерциальной навигационной системы на двухосном испытательном стенде // Труды МАИ. 2013. № 63.Veremeenko, K.K., Galai, I.A., Calibration algorithm development for inertial navigation system with the use of two-axis motion simulator, Proceedings of Moscow Aviation Institute (MAI), 2013, no. 63.Драницына Е.В., Егоров Д.А., Унтилов А.А., Дейнека Г.Б., Шарков И.А., Дейнека И.Г. Снижение влияния изменения температуры на выходной сигнал волоконно-оптического гироскопа // Гироскопия и навигация, 2012. № 4. С. 10–20.Dranitsyna, E.V., Egorov, D.A., Untilov, A.A., Deineka, G.B., Sharkov, I.A. and Deineka, I.G., Reducing the effect of temperature variations on FOG output signal, Gyroscopy and Navigation, 2013, no. 4, pp. 92–98.Боронахин А.М., Иванов П. А., Суров И.Л. Исследование погрешностей триады микромеханических гироскопов с использованием малогабаритного двухосного стенда // Нано- и микросистемная техника. 2010. №1. С. 35–41.Boronakhin, A.M., Ivanov, P.A. and Surov, I.L., The investigation of errors of MEMS-based gyro triad by means of small-sized two-axis rotary test table, Nano- i mikrosistemnaya tekhnika, 2010, no. 1, pp. 35–41.Вавилова Н.Б., Голован А.А., Парусников Н.А., Васинёва И.А. Задача калибровки бескарданных инерциальных навигационных систем на точных стендах // XXIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С. 52–55.Vavilova, N.B., Golovan, A.A., Parusnikov, N.A. and Vasnyova, I.A., Calibration of strapdown inertial navigation systems on high-precision turntables, Proc. 23rd St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg, 2016, pp. 52–55.Diesel, John W., Calibration of a ring laser gyro inertial navigation system, Proceedings of 13th biennial guidance test symposium, 1987, vol. 1.Diesel, J.W., Calibration of a ring laser gyro inertial navigation system, Proceedings of 13th Biennial Guidance Test Symposium, New mexico, 1987, vol. 1, pp. SO1A.1–SO1A.37.Bergman, Z., Inertial Sensors – A New Approach for Low Cost Calibration and Testing, Inertial Sensors and Systems, 2011.Berman, Z., Inertial sensors – A new approach for low cost calibration and testing, Inertial Sensors and Systems, 2011, pp. 8.1–8.19.Syed, Z.F., Aggarwal, P., Goodall, C., Niu, X., El-Sheimy, N., A new multi-position calibration method for MEMS inertial navigation systems, Measurement Science and Technology, 2007 May 15; 18(7):1897.Syed, Z.F., Aggarwal, P., Goodall, C., Niu, X. and El-Sheimy, N., A new multi-position calibration method for MEMS inertial navigation systems, Measurement Science and Technology, 2007, vol. 18, no. 7, pp.1897–1907.Zhang, H., Wu, Y., Wu, W., Wu, M., Hu, X., Improved multi-position calibration for inertial measurement units, Measurement Science and Technology, 2009 Nov 23; 21 (1): 015107.Zhang, H., Wu, Y., Wu, W., Wu, M., Hu, X., Improved multi-position calibration for inertial measurement units, Measurement Science and Technology, 2009, vol. 21, no. 1, p. 015107.Козлов А.В., Тарыгин И.Е., Голован А.А., Шаймарданов И.Х., Дзуев А.А. Калибровка инерциальных измерительных блоков с оценкой температурных зависимостей по эксперименту с переменной температурой: результаты калибровки БИНС-РТ // XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. С. 225–228.Kozlov, A.V., Tarygin, I.E., Golovan, A.A., Shaimardanov, I.Kh. and Dzuev, A.A., Calibration of an Inertial Measurement Unit at Changing Temperature with Simultaneous Estimation of Temperature Variation Coefficients: a Case Study on BINS-RT, Proc. 24th St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2017, pp. 225–228.Козлов А.В., Тарыгин И.Е., Голован А.А. Калибровка инерциальных измерительных блоков на грубых стендах с оценкой температурных зависимостей по эксперименту с переменной температурой // XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. С. 319–322.Kozlov, A.V., Tarygin, I.E. and Golovan, A.A., Calibration of inertial measurement units on a lowgrade turntable with simultaneous estimation of temperature coefficients, Proc. 21st St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2014, pp. 319–322.Tang, Q., Wang, X., Yang, Q., Liu, C., An improved scale factor calibration model of MEMS gyroscopes, 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC) Proceedings, Montevideo, 2014, pp. 752–755.Tang, Q., Wang, X., Yang, Q. and Liu, C., An improved scale factor calibration model of MEMS gyroscopes, Proc. 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), Montevideo, 2014, pp. 752–755.Parolis, D.M., Pinter-Krainer, W., Current and future techniques for spacecraft thermal control, ESA Bulletin, 1996, no. 87.Parolis, D.M., Pinter-Krainer, W., Current and future techniques for spacecraft thermal control, ESA Bulletin, 1996, no. 87.Gilmore, D., Spacecraft thermal control handbook, Volume I: fundamental technologies. Calif. Aerospace Press, 2002.Gilmore, D., Spacecraft Thermal Control Handbook, Volume I: Fundamental Technologies, Calif. Aerospace Press, 2002.Niu, X., Li, Y., Zhang, H., Wang, Q., Ban, Y., Fast thermal calibration of low-grade inertial sensors and inertial measurement units, Sensors, 2013 Sep;13(9):12192–217.Niu, X., Li, Y., Zhang, H., Wang, Q., Ban, Y., Fast thermal calibration of low-grade inertial sensors and inertial measurement units, Sensors, 2013, vol. 13, no. 9, pp. 12192–12217.Prikhodko, I.P., Zotov, S.A., Trusov, A.A., Shkel, A.M., Thermal Calibration of Silicon MEMS Gyroscope, 8th International Conference and Exhibition on Device Packaging, 2012.Prikhod’ko, I.P., Zotov, S.A., Trusov, A.A. and Shkel, A.M., Thermal calibration of silicon MEMS gyroscope, Proc. 8th International Conference and Exhibition on Device Packaging, 2012.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.