用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法

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1、2013年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法党建军1罗建军1万彦辉2(1西北工业大学航天学院，西安710072)(2西安精密机电研究所，西安710100)摘要针对加速度计标度因数在轨标定精度低、成本高，需要其他辅助设备且难以工程实现等问题，提出了一种利用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法。用该方法对加速度计进行在轨标定，只需要惯组旋转机构按照给定的速率匀速旋转，根据惯组内陀螺仪及加速度计的输出即可解算出加速

2、度计的标度因数。分析了标定原理，建立了标定模型，推导了误差系数的分离算法。通过地面试验验证了方法的有效性。关键词杆臂效应在轨标定加速度计标度因数自主导航航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．02．0041引言惯性器件在地面条件下和空间飞行条件下的漂移率有很大差别，而且当受空间环境振动、辐照等影响，其性能会退化，导致参数变化。加速度计作为惯性导航的核心器件，其测量量本身包含零位误差、标度因数误差及安装误差[1]。加速度计误差系数地面标定通常是在转台或分度头上利用重力加速度

3、进行标定，因而标定工作只能在实验室进行[2]。考虑到加速度计误差系数随温度和时间变化，仅在地面标定的加速度计误差系数是不能准确反映加速度计真实偏差的。地面标定只能作为加速度计误差系数的参考值，对自主导航精度要求不严的航天器比较适用，但对于自主导航要求加速度计测量信息较高的航天器就不再适用。如不考虑这些误差将会对自主导航产生严重误差。为保证空间自主导航的精度，需要对加速度计的误差系数进行在轨标定∞j。国内外诸多学者对GRACE卫星等所使用的加速度计标定提出了多种方法[4]。目前对加速度计进行在轨标定可以归结

4、为以下几种途径：用重力场模型反演加速度计参数口3；用轨道的精确数据推导加速度计的参数；根据发动机的推力来标定加速度计的参数；利用能量守恒方法进行标定[6]。这些方法一般考虑同时标定加速度计零位偏差和标度因数误差，固定一个参数，解算另一个参数，存在较大的耦合作用，且算法复杂，有时不能满足对加速度计标定精度要求较高的需求；或者需要其他设备辅助、成本较高、精度差，且工程上难于实现。本文提出了一种利用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法，该方法将3块加速度计正交安装于两轴旋锁机构。旋锁机构旋转时加速度计会产生杆

5、臂效应，利用杆臂效应产生的加速度即可标定出加速度计的标度因数。2加速度计误差模型2．1在轨标定常用坐标系及其定义(1)地心惯性坐标系0。一XiyiZi(简称i系)坐标原点为地球质心0i，基本平面为地球平赤道面；Xi轴在基本平面内指向春分点；Zi轴垂收稿日期：2012-0731。收修改稿日期：2012—1012ZQ主垦窒塑型堂垫查!!!i生!旦直于天赤道面指向北极；Yi轴在赤道面上垂直于Xi轴，且与Xi轴和Zi轴组成右手直角坐标系。(2)轨道坐标系0。一X。y。Z0(简称0系)航天器轨道平面为坐标平面，其中

6、，航天器的质心为原点0。；z。轴由航天器质心指向地心；X。轴在轨道平面内与Zo轴垂直并指向航天器速度方向：y。轴与X。、Z。轴右手正交且与轨道平面的法线平行。(3)惯组本体坐标系0t—x。y。Z。(简称t系)该坐标系为惯组的安装坐标系，与转台内框固联。(4)导航坐标系0。一X。y。Z。(简称n系)导航坐标系是在导航时根据导航系统工作原理选取的作为导航基准的坐标系。本文中选取的导航坐标系为地心惯性坐标系。(5)航天器载体坐标系0。一X。y。Z。(简称b系)航天器载体坐标系是固连在卫星体上的坐标系。载体坐标系

7、的坐标原点位于航天器的质心0。，当转台处于零位时载体坐标系与惯组本体坐标系重合。2．2加速度计误差模型捷联惯组上通常正交安装有3块加速度计，其误差模型如下[7]：△Nm—K，。(Ko。+一+K，f；+K。，!)1ANAy—K1，(Ko，4-K。f14-f：+K。f!)}(1)ANAz—K。：(K。：+K。厂!+K，，；+，b)J式中△N缸，△Nm，△N舡分别为3个加速度计单位时间内输出的脉冲数；t，f；，f!分别为3个方向在b系的相对加速度；K。，，K。，，K。。分别为3个加速度计偏值；K。：，K，，，K

8、。：分别为3个加速度计输出的标度因数；K。，K。，K。，，K。，K。，K。为加速度计的安装误差系数。3杆臂效应分析捷联惯组理论上应安装在飞行器的质量中心，且惯性测量部件的本身尺寸也为零。但实际上惯性测量部件的安装基座会偏离飞行器质心一定距离，且本身尺寸也不可能为零，由于存在切向加速度和向心加速度，会引起加速度计的测量误差，这种现象为“杆臂效应”[}10

9、。地心惯性坐标系0。一X。Y。ZI和航天器载体坐标系0。一X。Y。Z。如图