光纤陀螺“四位置”误差机理研究作者：王夏霄 王野 李立京 邬战军 王爱民 彭志强来源：《现代电子技术》2013年第18期 摘 要： 光纤陀螺惯导系统在位置标定实验时，光纤陀螺绕输入基准轴的不同位置零偏不一致，称为“四位置”误差。结合光纤惯性组合标定时出现的“四位置”误差问题，通过对光纤陀螺法拉第效应误差模型和对实验数据的分析，研究了“四位置”误差与光纤陀螺磁敏感性和输入轴失准角之间的关系。得出光纤陀螺知识树
“四位置”误差主要是由地磁场影响造成。对光纤陀螺采用磁屏蔽措施，可以显著减少“四位置”误差。 关键词： 光纤陀螺仪； 磁敏感性； 四位置误差； 失准角
中图分类号： TN911⁃34； U666.1 动滑轮的支点文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）18⁃0138⁃04
0 前 言
光纤陀螺是一种新型的基于Sagnac效应的角速度传感器，近30年中取得飞速发展，已
经广泛应用于海、陆、空、潜、天等诸多领域。光纤陀螺的主要敏感元件是由光纤绕制的光纤环。由于光纤本身可以敏感多种物理量，造成光纤陀螺的各种非互易误差[1⁃2]，而这些误差源在光纤陀螺系统中有各种各样的表现形式，“四位置”误差便是其中之一[3]。通过实验测定拟合曲线得出某只陀螺“四位置”误差已经与精度指标相当。分析了造成“四位置”误差的主要原因，并且提出了降低“四位置”氨基丙酸误差的方案。最后通过实验验证了造成“四位置”误差主要原因为磁敏感性，并且所提磁屏蔽方案使光纤陀螺的“四位置”误差显著降低。
1 “四位置”误差
为了说明光纤陀螺“四位置”误差，首先对北航研制的某只陀螺建立平面坐标系，如图1所示。
在光纤捷联惯性系统做位置标定时，发现当光纤陀螺输入基准轴（Input Reference Axis，IRA）即z轴朝上，则光纤陀螺转动90°相差的四个位置（即陀螺x轴分别指向东南西北）时，理论上由于光纤陀螺敏感轴指向不变其输出应该相等，但实际测量结果在这四个位置光纤陀螺输出存在较大的偏差，称之为“四位置”误差[4⁃5]。
将这只光纤陀螺利用夹具安装在三轴速率位置台上，使陀螺的输入基准轴IRA朝上，x轴初始位置指北，逆时针旋转一周，每3°一个位置采集60 s陀螺输出，则其输出如图2所示。
经过拟和曲线由图1可以看出，这只陀螺输出最大值为9.931 4 [°h]，出现位置为 210°，第一个最小值为9.848 9 [°h]出现的角度为53°。这只光纤陀螺的输出绕基准轴IRA的不同位置，其最大变化值约为0.1 [°h]，已经与精度指标相当了，这就是“四位置”误差。下面对“四位置”误差产生的原因进行详细分析。
2 影响“四位置”误差主要因素分析
2.1 输入轴失准角的影响
首先，光纤陀螺存在的失准角[γm]会造成“四位置”误差，由于光纤陀螺在绕制光纤环时，光纤不可能完全平行于陀螺安装基准面，所以光纤陀螺输入轴（Input Axis，IA）不可能完全平行于输入基准轴，即存在输入轴失准角[6]。由于存在失准角，使光纤陀螺同样存在“四位置”问题。下面通过实验数据及计算确定光纤陀螺的输入轴失准角对“四位置”问题的影响。
冯 卡门首先按照国军标GJB 2426A⁃2004（光纤陀螺仪测试方法）测量光纤陀螺的输入轴失准角。得到这只光纤陀螺的失准角如表1所示。
3 对“四位置”误差的进一步实验验证
通过测得的失准角方向和“四位置”误差最大值出现方向，加上以上对磁敏感轴方向的分析，可以得到失准角方向、磁敏感轴方向和实际最大误差方向之间的关系如图4所示，其中由于陀螺安装问题，实际最大值方向与所转角度相反。
由图592aa4可以看出，与前面的理论分析一样，光纤陀螺“四位置”误差最大值出现在磁轴和失准角的夹角内，且靠近磁轴。这说明磁场是导致光纤陀螺“四位置”误差的主要原因。为了进一步验证这一结论，将光纤陀螺更换外罩，新外罩采用铁镍合金屏蔽材料制作，起屏蔽地磁场的作用。然后将光纤陀螺利用夹具固定在三轴速率位置台上，然后使陀螺的输入基准轴IRA朝上，x轴朝北逆时针旋转一周，每10°一个位置累计60 s陀螺输出，则其输出如图5所示。
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