第八章 惯性器件及系统的测试V1

惯性导航难懂？看懂只需这一篇！全面解读惯性导航系统与技术惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）是一种利用惯性敏感器件、基准方向及最初的位置信息来确定运载体在惯性空间中的位置、方向和速度的自主式导航系统，也简称为惯导。

惯性导航技术的发展历程第一代惯性导航技术指1930 年以前的惯性技术，奠定了整个惯性导航发展的基础。

牛顿三大定律成为惯性导航的理论。

第二代惯性技术开始于上世纪 40 年代火箭发展的初期，其研究内容从惯性仪表技术发展扩大到惯性导航系统的应用。

70 年代初期，第三代惯性技术发展阶段出现了一些新型陀螺、加速度计和相应的惯性导航系统，其研究目标是进一步提高INS 的性能，并通过多种技术途径来推广和应用惯性技术。

当前，惯性技术正处于第四代发展阶段，其目标是实现高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字化、应用领域更加广泛的导航系统。

比如随着量子传感技术的迅速发展，在惯性导航技术中，利用原子磁共振特性构造的微小型核磁共振陀螺惯性测量装置具有高精度、小体积、纯固态、对加速度不敏感等优势，成为新一代陀螺仪的研究热点方向之一。

惯性导航的组成惯性导航包括惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和计算单元两大部分。

通过IMU感知物体方向、姿态等变化信息，再经过各种转换、补偿计算得到更准确的信息。

比如检测物体的初始位置、初始朝向、初始姿态以及接下来每一刻朝向、角度的改变，然后把这些信息加一起不停地推，推算出物体现在的朝向和位置。

IMU主要由加速度计和陀螺仪组成，可实时检测物体的重心方向、俯仰角、偏航角等信息，如果还加上电子罗盘和气压计等传感器，那IMU的测量信息量与精度也相应地能得到一定的提高。

而计算单元则主要由姿态解算单元，积分单元和误差补偿单元这三部分组成。

惯性导航的工作原理惯性导航的目的是实现自主式导航，即不依赖外界信息，包括卫星信号、北极指引等。

某型空空导弹飞行控制组件综合测试系统设计某型空空导弹飞行控制组件是一种重要的武器装备，在实际使用中需要经过严格的测试验证其性能和可靠性。

为了保证导弹的准确性和稳定性，需要设计一种综合测试系统来对其飞行控制组件进行全面的测试。

本文将从系统需求分析、设计原理、测试内容、测试方式以及系统的实施和应用等方面进行综合详细的介绍。

一、系统需求分析1. 测试对象：某型空空导弹飞行控制组件，包括导弹制导头、飞行控制器、姿态控制器等各个部分。

2. 测试环境：室内测试环境，需满足导弹飞行参数测试的需求。

3. 测试内容：包括导弹的飞行性能测试、导弹制导系统测试、导弹惯性导航系统测试等多种测试内容。

二、设计原理1. 系统架构：综合测试系统采用模块化设计，包括数据采集模块、控制模块、仿真模块、用户界面模块等。

2. 测试原理：通过对导弹飞行控制组件进行多种测试，验证其性能、稳定性和可靠性，确保导弹在实际使用中能够正常工作。

3. 数据处理：测试系统采集导弹飞行控制组件的各种数据，如加速度、角速度、姿态角等，通过数据处理分析导弹的飞行状态。

四、测试方式1. 实际飞行测试：通过在实验场地进行导弹的实际飞行测试，获取导弹的实际飞行数据。

2. 仿真测试：采用导弹飞行仿真软件，对导弹的飞行性能、制导系统和惯性导航系统进行仿真测试。

五、系统实施和应用1. 系统实施：根据导弹的实际使用需求，设计并制造综合测试系统，并在实验场地进行系统的实施和调试。

2. 应用领域：综合测试系统可用于对某型空空导弹飞行控制组件进行全面的性能验证，提高导弹的使用可靠性。

在设计综合测试系统时，需要考虑导弹飞行控制组件的实际使用情况和性能需求，保证测试系统的有效性和可靠性。

通过建立综合测试系统，可以有效提高导弹的实际使用性能，确保导弹在作战中的准确性和可靠性。

一、实验目的通过本次实验，了解惯性演示器的原理，观察物体在受力情况下的运动状态变化，验证牛顿第一定律的正确性。

二、实验原理牛顿第一定律（惯性定律）指出：一切物体在没有受到外力作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。

惯性演示器通过演示物体在受力情况下的运动状态变化，来验证牛顿第一定律。

三、实验仪器1. 惯性演示器（静态演示器和动态演示器）2. 钢球3. 红色塑料片4. 弹簧片5. U形合金铝槽6. 斜面小车7. 插杆8. 电压表9. 计时器四、实验步骤1. 静态演示器实验（1）将红色塑料片平放在Z形支架的上台面上，凹痕正好处于台面上中心圆孔圆心的正上方。

（2）将钢球放稳在红色塑料片的凹痕上。

（3）左手扶住底座，右手将弹簧片向外拨动3cm左右。

（4）释放弹簧片，观察红色塑料片被击发离开台面，钢球落在台面中心的圆孔上。

2. 动态演示器实验（1）将U形合金铝槽固定在小车上。

（2）将钢球放入U形合金铝槽中。

（3）调整斜面小车，使小车在水平方向上匀速运动。

（4）当小车受到牵引力的变化时，观察钢球在铝槽中的运动状态。

（5）改变牵引力的变化，重复步骤（4），观察钢球在铝槽中的运动状态。

五、实验现象1. 静态演示器实验现象：当弹簧片释放后，红色塑料片迅速飞离台面，钢球落在台面中心的圆孔上。

2. 动态演示器实验现象：当小车受到牵引力的变化时，钢球在铝槽中沿槽朝加速度相反的方向开始滚动。

六、实验结果与分析1. 静态演示器实验结果：红色塑料片在弹簧片的冲击下迅速飞离台面，钢球落在台面中心的圆孔上。

这表明物体在没有受到外力作用时，总保持静止状态。

2. 动态演示器实验结果：当小车受到牵引力的变化时，钢球在铝槽中沿槽朝加速度相反的方向开始滚动。

这表明物体在没有受到外力作用时，总保持匀速直线运动状态。

七、实验结论通过本次实验，我们验证了牛顿第一定律的正确性。

惯性演示器能够直观地展示物体在受力情况下的运动状态变化，有助于我们更好地理解惯性的概念。

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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验 测试方法
在典型的测试中，速率转台的转动速率从零开始，逐级分成 一系列角速率值，同时记录每一级的数据。 旋转速度对于每一级设定的周期上保持常量，使得敏感器的 输出在记录前已处于稳定状态。 施加的角速率在最大和最小的期望值之间递增变化。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （3）温度试验
如：全温范围 下的某型号光 纤陀螺标度因 数漂移特性
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （4）摇摆速率转台试验
此类试验的目的是确定陀螺仪及其相关电子控制电路对施加 于敏感器输入轴的振荡旋转的频率响应特性 测试设备与速率变换测试中所述的速率转台非常类似。 在该情况下，转台同样安装在合适的基座上以提供稳定性， 并施加各种预先设定频率的角运动。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （7）冲击试验
试验的目的是测量陀螺仪对于施加的冲击 的响应，并确定该敏感器对于施加的极短 周期(一般为毫秒级)的加速度的恢复能力。 敏感器要安装到金属台上，并将该台从给 定的距离上落到一合适形状的铅块上。 在施加冲击过程中且同样在冲击后的一定 时间内记录输出信号。陀螺仪在冲击前后 漂移均值的对比能够表明该陀螺仪特性的 瞬态或永久性变化。
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§8.1 陀螺仪误差测试的基本方法
2、陀螺仪误差测试的种类和方法 （2）速率传递试验
输出角速率偏差（deg/s）
数据分析
与实际相比的输出偏差曲线
IFOG标度因数测试情况（10℃）

一、惯性导航系统基本工作原理:根据牛顿定律，利用一组加速度计连续地进行测量，而后从中提取运动载体相对某一选定导航坐标系(可以是人工建立的物理平台，也可以使计算机参处的“数学平台”)的加速的信息；通过一次积分运算（载体初始速度已知）使得到载体相对导航坐标系的即时速度信息；在通过一次积分运算(载体初始位置已知)便得到载体相对导航系统的即时位置信息。

二、组成一个典型的惯性导航系统一般有关行测量装置、专用计算机、葱汁显示器等几大部分组成。

三、分类按关行测量装置在载体上的安装方式，可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。

1 平台式惯性导航的基本原理平台式惯性导航系统是将关行测量原件安装在惯性平台（物理平台）的台体上。

体积重量达，结构复杂2 捷联式大大降低了系统的体积、重量和合成本，但对计算机的算法误差要求较高，不超过系统误差的百分之五十。

可靠性高，故障率低。

对惯性器件要求高，要求两次装卸的期间内，器件有较高的参数稳定性。

3 组合式其他导航系统与惯性导航系统组成的整个系统提高导航精度和提高可靠性四、加速度计的测试、标定及评价标准1灵敏度、线性度测试1)加速度计重力场静态翻滚试验2)静态漂移测试：加速度计在静态工作期间（在不同时间）输出值的变化。

首先寻找该加速度计的机械零位，然后将其置于机械零位，并测试其输出，从而得到静态漂移曲线，即标定了加速度计的静态稳定性。

3) 温度性能测试零位漂移测试灵敏度漂移测试2阈值测试3分辨率测试4重复性测试加速度计在通电(或不通电）状态下，经过整栋、冲击、热储存、高低温试验及热冲击等各种不同环境条件下的考核。

在每次考核后，在纪念性加速的计重力场四点法测试，每种环境至少重复三次。

5噪声测试五、硅微加速度计的评价标准1）量程加速度计可测量加速的大小的范围，是1g的倍数。

2）零点漂移当没有加速度输入的时候，加速的机的输出，为±1g的倍数。

3）比例因子和比例因子误差每单位输入加速德的变化所导致的输出变化。

测试 平台
为了精确测试各惯性器件的精度及误差，其测试设备自身的精度 必须比测试器件的要高，从理论上其精度要高出一个数量级，至少要 比被测器件的精度高3倍。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
力 矩 器 机械转子 信 陀螺仪 号 器
滤波
前置放大
解调
测量环节
∆N /∆t ：输出脉冲速率 I ：输入角速度 E ：环境敏感误差 D ：漂移误差 ε K ：标度因子误差
S0 ：标度因子
5、测试方法
调温室
环境温度 输出信号
数据采 集与处 理系统
控制信号
工控 计算机
测试转台
测试设备连接图
评定光学陀螺的性能，需要进行两类测试：静态测试与动态测试。 静测试方法：测试转台工作于静止状态，启动陀螺进入稳定工 作状态后，以态一定的频率采集陀螺输出脉冲数。 动态测试方法： 启动陀螺进入稳定工作状态后，输入给定的转 动速率驱动测试转台，并以一定的频率采集陀螺输出脉冲数。
5、测试方法
机械陀螺仪 陀螺仪测试
测试 方法
加速度计测试
光学陀螺仪
5、测试方法
激光陀螺与光纤陀螺同属于光学陀螺，它们具有相同 的工作原理，即Sagnac效应。共同的工作原理使两者具 有相似的性能特点和误差特性。 光学陀螺的数学模型和主要指标：
S（ ∆ N /∆ t）=[I+E+D][1+10 −6ε K ]−1 0
输出。其产生的原因有多种，其中包括由于敏感器内软导线 所带来的残留力矩、杂散测场及温度梯度。其大小与陀螺仪 可能发生的任何运动无关。
与加速度相关的零偏：即与所承受的加速度的幅值成正

控制科学与工程0811（一级学科：控制科学与工程）控制科学与工程学科具有博士学位授予权并设博士后流动站，在2002年全国一级学科评估中综合排名第9(其中科学研究单项排名第4)。

下设“控制理论与控制工程（081101）”、“检测技术与自动化装置（081102）”、“系统工程（081103）”、“模式识别与智能系统（081104）”、“导航、制导与控制（081105）”五个二级学科，其中“控制理论与控制工程”是国家级重点学科，“模式识别与智能系统”是北京市和部委级重点学科，“导航、制导与控制”和“检测技术与自动化装置”是部委级重点学科。

控制科学与工程是研究控制的理论、方法、技术及其工程应用的学科。

控制科学以控制论、系统论、信息论为基础，研究各应用领域内的共性问题，即为了实现控制目标，应如何建立系统的模型，分析其内部与环境信息，采取何种控制与决策行为；而与各应用领域的密切结合，又形成了控制工程丰富多样的内容。

本学科点在理论研究与工程实践相结合、学科交叉和军民结合等方面具有明显的特色与优势，对我国国民经济发展和国家安全发挥了重大作用。

主要研究方向有：1．控制理论与控制工程：复杂系统的建模、控制、优化、决策与仿真；鲁棒控制与非线性控制；工程系统的综合控制与优化；运动控制系统设计与分析；先进控制理论与方法。

2．模式识别与智能系统：智能控制与智能系统；专家系统与智能决策；模式识别理论与应用；智能信息处理与计算机视觉；生物信息学。

3．导航、制导与控制：惯性定位导航技术；组合导航及智能导航技术；飞行器制导、控制与仿真技术；惯性器件及系统测试技术；火力控制技术。

4．检测技术与自动化装置：先进传感与检测技术；新型执行机构与自动化装置；智能仪表及控制器；测控系统集成与网络化；测控系统的故障诊断与容错技术。

5．系统工程：系统工程理论及应用；系统分析、设计与集成；系统预测、决策、仿真与性能评估；网络信息技术、火控与指控系统技术；复杂系统信息处理、控制与应用技术。

惯性器件测试与建模课程设计1. 前言惯性器件作为刚性连接系统中不可或缺的一部分，具有重要的作用。

它们被广泛应用于汽车、飞机、船舶等各种类型的交通工具中，以及工业自动化等领域。

惯性器件的测试和建模在这些应用领域中也变得越来越重要。

本文将介绍一份有关惯性器件测试与建模的课程设计，涵盖了测试理论、实验原理、测试器具、数据分析和建模。

2. 测试理论在惯性器件测试中，我们需要了解各种惯性器件的工作原理和测试方法。

这其中涉及到很多的基础理论知识，包括牛顿力学、旋转力学、惯性力学等。

以下是一些需要掌握的基础理论知识：•角度和角速度的概念•旋转坐标系和相对运动的概念•惯性张量和它的应用•转动动能、角动量和角动量守恒•惯性制动器工作原理和应用3. 实验原理为了实现对惯性器件的测试和建模，我们需要使用测试仪器和设备。

以下是一些与惯性器件测试相关的常见仪器和设备：•陀螺仪：用于测量角速度和角度•惯性测量单元（IMU）：用于测量角速度、角度和加速度•多功能测试仪：用于测试多种机械性能指标，如转速、力矩等。

在实验中，我们需要在系统中加入不同的负载和控制参数，并测量相应的性能指标。

通过对实验数据的分析和处理，我们可以得到惯性器件的性能曲线以及相应的建模参数。

4. 测试器具为了进行惯性器件的测试和建模，我们需要使用一些特定的测试器具。

这些器具需要满足以下要求：•具有高精度的测量能力•具有良好的稳定性和可靠性•能够支持多种不同类型的测试以下是一些常用惯性器件测试器具：•惯量测试仪•陀螺仪测量设备•惯性导航系统5. 数据分析和建模通过实验收集到的数据，我们需要进行进一步的分析和处理，以获得惯性器件的性能曲线和建模参数。

以下是一些常用的数据分析和建模方法：•数据滤波和处理•最小二乘法求解模型参数•基于机器学习的数据挖掘和分析在获得了惯性器件的性能曲线和建模参数之后，我们可以将其用于模拟和优化系统性能，并用于系统设计和控制中。

6. 总结惯性器件测试和建模是一个非常重要的研究领域。

一、1、发展现状：当前我国已经能够生产常规惯导产品，并且具有初步的激光和光纤陀螺生产能力。

在卫星、运载火箭、飞机、舰艇上均已装备不同型号的具有自主知识产权的惯导设备，但在部分高端应用中仍对进口技术有所依赖。

在战略、导航级领域，传统机电仪器仍占据较大比例，激光陀螺应用增加，不久将占据主导地位。

光纤陀螺将出现实用产品。

目前具有广泛应用或已具备技术成熟技术的陀螺元件液浮陀螺仪包括机械陀螺，液浮陀螺、挠性陀螺、动力调谐陀螺等机电陀螺；激光陀螺、光纤陀螺等光学陀螺以及微机械陀螺仪等。

通常机电陀螺普遍具有精度高的优点，但结构复杂，加工成本较高。

光学陀螺和微机械陀螺具有成本低廉、抗冲击性好，可靠性高等优点，在问世之初精度尚不及高精度的机电陀螺，但随着制造材料和加工工艺的进步，其精度在不断改善。

2、未来发展趋势：1、材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，采用新器件、新材料向来是提高惯性仪表和系统性能的重要手段2、成本：包括产品自身成本和操作维护费用。

由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。

3、体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展。

4、应用中，微机械陀螺和光纤陀螺将逐步取代传统机电陀螺成为主流产品。

同时，以纳机电线性加速度计、超流体量子陀螺仪、原子干涉惯性传感器等为代表的新一代型惯性传感器将得到长足进步，美国的研究机构计划在未来数年内生产出具有实践价值的新型惯性导航元件产品。

5、平台式惯性系统需充分利用最新控制理论和控制技术来进一步改善其稳定回路的性能；捷联式系统将越来越多的采用数字化固态惯性仪表和系统集成一体化、先进数据滤波等技术，使其综合性能不断提高。

未来发展中，在特定领域，平台惯导系统技术仍将保留一定市场，但总的趋势上，惯性系统将逐步从平台技术转向捷联技术；二、1、主要特点：光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。

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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（6）激光陀螺仪
L
4S c
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍
2、陀螺仪：
4 NS 光程差： L c
（7）光纤陀螺仪
高锟：2009年诺奖，“在纤维中传送光 以达成光学通讯的开拓成就”
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍
·目标点
起始点 ·
4
一、惯性导航及其应用
1、惯性导航基本概念（其它导航方法比较）：
卫星导航
无线电导航
天文导航
多普勒导航
地磁匹配导航 重力匹配导航
地形匹配导航
5 景象匹配导航
一、惯性导航及其应用 2、惯性导航优缺点：
1、自主性好：不需要其它外来信息
优点 2、隐蔽性强：不会向外辐射任何信息 3、信息全面：高频率甚至连续的运载体 实时角速度、加速度、姿态、速度和位置 缺点：导航误差随时间不断积累（措施：研制高精度器件； 测试建模提高实际使用精度）
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三、惯性器件测试
2、惯性器件的误差模型
（1）静态误差模型：指在线运动条件下惯性仪器 的数学表达式，它确定了惯性器件误差与比力之间 的函数关系。 误差模型分类
（2）动态误差模型：指在角运动条件下惯性仪器的 数学表达式，它确定了惯性器件误差与角速度、角 加速度之间的函数关系。
（3）随机误差模型：引起惯性仪器误差的因素众多、 许多是随机的、有些机理尚不明确，应用数理统计和 模型辨识理论建立随机误差的数学表达式即为随机误 差模型。
二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：
（3）单自由度液浮陀螺仪 （4）挠性陀螺仪
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二、惯性器件（陀螺仪和加速度计）介绍 2、陀螺仪：

H J x x i J y y j J zz k
H 与ω 的方向之间的关系
3.1 陀螺仪的力学基础
二、定点转动刚体的动量矩定理 动量矩定理描述的是力矩与动量矩的关系 1）力矩又称转矩，torque/ moment 在物理学里，力矩是一个矢量；正如同作用力导致出
x i y j z k
代入上述求和式，整理得到刚体的动量矩：
3.1 陀螺仪的力学基础
一、定点转动刚体的动量矩
绕定点转动的刚体：刚体动量矩
i V R x x
j y
k z
y z
因为： H R mV R xi yj zk 根据布桑公式可知：
有角度转动的自由度，这种装置的总体称为陀螺仪 陀螺仪的基本部件有：

陀螺转子 （常用同步电机、磁滞电机等拖动方法使陀螺转 子绕自转轴高速旋转，并且其转速近似常值） 内、外框架 （或称内、外环） 附件 （指力矩马达、信号传感器等）
陀螺仪的类型 单自由度陀螺仪 双自由度陀螺仪
3.2 单自由度陀螺仪
基本特点：角动量 H 相对惯性空间稳定
3.3 二自由度陀螺仪
二、二自由度陀螺仪的基本特性 陀螺仪的进动性(Proceeding)
转子没有旋转时，给陀 螺悬挂重物
录像：转子高速旋转的陀螺悬挂重物
3.3 二自由度陀螺仪
二、二自由度陀螺仪的基本特性 陀螺仪的进动性(Proceeding) 外框架施加力矩
三、刚体绕定点转动的欧拉动力学方程
当动坐标系和绕定点转动的刚体相 固连，且动坐标系的三个轴又是刚体 的惯性主轴时，有： H J x x i J y y j J zz k

实验一陀螺仪关键参数测试与分析实验加速度计关键参数测试与分析实验二零一三年五月十二日实验一陀螺仪关键参数测试与分析实验一、实验目得通过在速率转台上得测试实验,增强动手能力与对惯性测试设备得感性认识；通过对陀螺仪测试数据得分析,对陀螺漂移等参数得物理意义有清晰得认识,同时为在实际工程中应用陀螺仪与对陀螺仪进行误差建模与补偿奠定基础。

二、实验内容利用单轴速率转台,进行陀螺仪标度因数测试、零偏测试、零偏重复性测试、零漂测试实验与陀螺仪标度因数与零偏建模、误差补偿实验。

三、实验系统组成单轴速率转台、MEMS 陀螺仪(或光纤陀螺仪)、稳压电源、数据采集系统与分析系统。

四、实验原理1.陀螺仪原理陀螺仪就是角速率传感器,用来测量载体相对惯性空间得角速度，通常输出与角速率对应得电压信号。

也有得陀螺输出频率信号(如激光陀螺）与数字信号（把模拟电压数字化)。

以电压表示得陀螺输出信号可表示为:(1-1）式中就是与比力有关得陀螺输出误差项，反映了陀螺输出受比力得影响,本实验不考虑此项误差。

因此，式（１－１）简化为(１-2）由（１－2）式得陀螺输出值所对应得角速度测量值:(1－3) 对于数字输出得陀螺仪,传感器内部已经利用标度因数对陀螺仪模拟输出进行了量化,直接输出角速度值,即：（１－4）就是就是陀螺仪得零偏，物理意义就是输入角速度为零时，陀螺仪输出值所对应得角速度。

且(１-5) 精度受陀螺仪标度因数、随机漂移、陀螺输出信号得检测精度与得影响。

通常与表现为有规律性,可通过建模与补偿方法消除,表现为随机特性,可通过信号滤波方法抵制。

因此，准确标定与就是实现角速度准确测量得基础。

五、陀螺仪测试实验步骤1)标度因数与零偏测试实验ａ、接通电源，预热一定时间;b、陀螺工作稳定后，测量静止情况下陀螺输出并保存数据;c、转台正转,测试陀螺仪输出,停转;转台反转，测试陀螺仪输出,停转。

在正转与反转时测试陀螺仪输出量,并分别保存数据;d、改变转台输入角速率重复步骤c,正负角速率得速率档分别不少于5 个(按军标要求就是11 个);e、转速结束后，当转台静止时,采集陀螺仪输出数据,并保存。