强干扰力矩环境下磁悬浮陀螺全站仪转子完备性检验及异常信息处理方法研究

To obtain pure gyro rotor azimuth information from the complex disturbance torque environment is a key problem to improve the maglev gyroscope orientation precision and the stability of north-seeking. The study found that in a state of suspension of the gyro rotor dynamic system has a high sensitivity. Under the strong disturbance torque, rotor observed data sequence will show the different frequencies of periodic response and significant nonlinear forced movement characteristics, and accompanied by some anomalies such as occasional drift and jump, thus observation data produced noise, and restricted the maglev gyroscope north-seeking precision. In order to solve this problem, first of all, this project adopt experiment and simulation technology to classify different types of disturbance torque, reveal physical impact mechanism of rotor forced movement and the basic relationship between all kinds of typical data and dynamic instrument structure; Secondly, establish the standards of rotor completeness detection and maintenance, determine the conditions of rotor completeness detection, complete the design of real-time self-inspection program; Finally, based on the modern time series and neural network theory, take into account two-position sampling data characteristics of maglev gyroscope, construct the abnormal data filtering denoising and smoothing processing method to adapt to all kinds of typical disturbance torque conditions, to improve the maglev gyroscope observation precision, stability and environmental adaptability.

如何从复杂的干扰力矩环境中获取纯净的陀螺转子方位信息是提高磁悬浮陀螺仪定向精度及寻北稳定性的关键问题。研究发现，处于悬浮状态的陀螺转子动态系统具有极高的敏感性，在强干扰力矩影响下，转子观测数据序列会表现出不同频率的周期性响应及显著的非线性受迫运动特征，并伴有偶发的漂移、跳变等异常现象，从而产生观测噪声，制约了磁悬浮陀螺仪寻北精度的提高。针对这一问题，本项目首先采用实验仿真技术对不同类型的干扰力矩展开系统深入的分类研究，揭示转子受迫运动的物理影响机制以及各种典型数据现象与动态寻北过程间的基本关系；其次建立转子完备性检测方法与标准，明确转子完备性检测条件，完成转子完备性实时自检验程序设计；最后在综合现代时间序列、神经网络等理论的基础上，顾及磁悬浮陀螺双位置采样数据特征，构建适应各种典型干扰力矩环境下仪器异常信息的滤波去噪及样本平滑处理方法，以显著提高磁悬浮陀螺仪的观测精度、稳定性与环境适应性。

在国家自然科学基金青年基金项目（项目编号：41504001）资助下，本项目针对在强干扰力矩条件下的磁悬浮陀螺仪转子序列的稳定性及定向成果的可靠性问题进行了深入研究，取得了一定的研究成果。研究成果以SCI论文“Azimuth information processing optimization method for a magnetically suspended gyroscope”、“Adjustment Options for a Survey Network with Magnetic Levitation Gyro Data in an Immersed Under-Sea Tunnel”；发明专利“一种基于静态力矩模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法”、“基于陀螺定向的标校相控阵天线北方向的测量方法”、“一种基于静态力矩模式陀螺全站仪的双位置回转寻北测量方法”、“一种利用光纤陀螺测定地理纬度的方法”，以及专著等形式发表。.陀螺定向技术是解决隐蔽受限空间内高精度方位基准建立的重要方法之一，是确保隧道准确贯通的关键技术手段。传统陀螺定向技术由于采用了密闭开环式的寻北技术，陀螺转子的寻北状态往往是不得而知的，也无法进行陀螺定向成果的质量评价。由于高精度陀螺的敏感能力与陀螺的寻北精度以及与所受干扰力矩的影响程度之间都有着密切的关系。这也就造成了高精度陀螺在工程复杂环境中的应用问题。针对这一问题，本项目采用转子数据分频域特征解析及陀螺寻北状态一致性回归分析法，在一定程度上解决了在强干扰力矩环境下磁悬浮陀螺如何获取稳定可靠的寻北定向成果的问题，有效提高了陀螺定向技术的工程化应用。.项目研究成果先后应用于“港珠澳大桥沉管隧道精准对接工程”、“陕西引汉济渭秦岭超长隧道”，取得了较好的应用效果，印证了课题研究成果的实际应用效果。同时课题组在项目研究期间还对光纤陀螺等非机械类陀螺进行了调研分析，通过调研发现，非机械类陀螺与机械类陀螺相比在强干扰力矩作用下所表现出来的数据形态特征与机械类陀螺却有着显著的差异。两者之间可以形成以机械转子类陀螺为主的双陀螺定向系统。因此，课题组研发了光纤陀螺全站仪样机，对光纤寻北定向技术进行了前期技术研究，为后续课题进一步提升陀螺定向测量系统在复杂工程环境下的应用能力奠定基础。