二频机抖激光陀螺捷联惯导系统及其实时温度补偿方法的研究

论文摘要

采用机械抖动偏频的激光陀螺在国内的捷联惯性导航系统中正起到越来越重要的作用。捷联系统工程化应用中,环境温度变化以及系统自身的发热,会导致惯性器件(激光陀螺和加速度计)的工作温度发生改变,惯性器件的标度因子和零偏也会变化,最终影响捷联系统的初始对准和导航精度;另外系统在振动和摆动等条件下的运动相关性误差在应用中也必须进行补偿。论文对机抖激光陀螺和加速度计的温度补偿方法及模型进行了研究,并对整个惯导系统的温度补偿、圆锥误差补偿和标定方法进行了研究。本文首先简单介绍了捷联惯性导航系统的原理及其组成。在分析了惯性测量系统一些误差源的基础上,重点分析捷联惯性导航系统的误差及其补偿的方法和思路。第三章根据导航系统的工程化应用和温度补偿的需要,研究了数字信号处理器DSP在捷联导航系统中的应用,给出了主机板(CPU)的软硬件实现过程,并将理论应用到导航系统的实际运算、控制中,设计了高精度的测温电路,并对导航软件作了介绍。由于数字信号处理器DSP对于高级语言(C语言)的支持,且软件的编写使用了模块化的编程思想,所以整个软件的开发变的容易很多,开发周期大大缩短,可读性得到很大提高,可扩充性和可维护性也都大有改善。第四章对机抖激光陀螺的误差进行了理论分析,对其零偏的温度特性进行了理论和实验分析,通过多项式拟合、疏系数回归模型分析和逐步回归模型分析,得到了机抖激光陀螺零偏的实时温度补偿模型,并对模型进行了实验验证,说明模型有效且具有普适性;另外还提出了零偏的自适应建模,并研究了RBF神经网络在机抖激光陀螺零偏的辨识中的应用;最后对温度补偿后的陀螺的标定方法进行了论述。第五章对加速度计的误差进行了理论分析,对加速度计的零偏和标度因子的温度特性进行了理论和实验分析,通过多项式拟合分析,得到了加速度计本身的零偏和标度因子的温度补偿模型和I/F转换电路板的温度补偿模型,并对模型进行了实验验证,设计了多温度点和多位置法相结合的加速度计的标定方法。第六章对机抖激光陀螺捷联惯导系统在振动和摆动条件下的误差进行了理论分析,重点对圆锥误差补偿和划摇运动误差补偿方法进行了研究和分析,并进行了线振动试验,对补偿的效果进行了实验验证,结果表明补偿方法效果较好。最后,在所研制的激光陀螺捷联惯导系统上进行了一系列的测试,对补偿前后的惯导系统作了分析比较,说明了系统温度补偿和圆锥误差补偿的有效性;考虑有扰动条件下的初始对准、对准后掉头跑直线、变温、单向多圈闭合运动等变化情况,本文所做的各次定位测试系统一小时的圆概率误差均优于0.3海里,测试结果表明了各项研究与实现方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 捷联惯性导航系统基本原理
• 1.2 激光陀螺的原理
• 1.2.1 激光陀螺的工作原理
• 1.2.2 激光陀螺的误差效应
• 1.3 加速度计的原理
• 1.4 激光陀螺捷联系统现状
• 1.5 课题的意义及本文的主要工作
• 第二章 捷联惯性导航系统误差补偿研究的方案
• 2.1 系统误差补偿研究的考虑
• 2.1.1 惯性测量单元
• 2.1.2 误差补偿
• 2.1.3 动态条件下的误差补偿
• 2.2 激光陀螺温度补偿的考虑
• 2.2.1 激光陀螺的静态输出误差分析
• 2.2.2 温度对激光陀螺比例因子的影响
• 2.2.3 温度对激光陀螺零漂的影响
• 2.3 加速度计温度补偿的考虑
• 2.4 高频振动补偿方法的选择
• 2.5 捷联系统的初始对准及有扰动条件下对准的实现
• 2.5.1 捷联式惯导系统的误差模型
• 2.5.2 使用回路反馈法的静基座对准的实现
• 2.5.3 有扰动条件下的初始对准的实现
• 2.6 本章小结
• 第三章 导航计算机的设计与开发
• 3.1 导航计算机的设计原理
• 3.1.1 背景
• 3.1.2 数字信号处理器
• 3.1.3 器件选取
• 3.2 导航计算机的系统设计
• 3.2.1 数据采集模块设计
• 3.2.2 信号处理模块设计
• 3.2.3 通信模块设计
• 3.2.4 A/D 模块设计
• 3.3 陀螺和加速度计信号的采集与处理
• 3.3.1 激光陀螺信号读出原理
• 3.3.2 激光陀螺输出信号的处理
• 3.3.3 FPGA 的设计思路
• 3.3.4 FPGA 的硬件电路的实现
• 3.3.5 FPGA 的编译软件介绍
• 3.4 高精度测温电路的设计
• 3.4.1 铂电阻测温电路
• 3.4.2 电路测温精度分析
• 3.5 导航软件的实现
• 3.6 本章小结
• 第四章 二频机抖激光陀螺温度补偿模型的研究
• 4.1 机抖激光陀螺的误差分析
• 4.1.1 机抖激光陀螺的比例因子和零偏分析
• 4.1.2 机抖激光陀螺零偏的多项式拟合
• 4.2 机抖激光陀螺零偏的疏系数回归模型建模
• 4.2.1 疏系数回归模型
• 4.2.2 机抖激光陀螺零偏的疏系数温度回归模型拟合
• 4.2.3 小结
• 4.3 逐步回归法
• 4.3.1 分析方法
• 4.3.2 多元线性回归模型
• 4.3.3 β的估计
• 4.3.4 回归方程和回归系数的显著性检验
• 4.3.5 逐步回归法
• 4.4 机抖激光陀螺零偏的逐步回归温度补偿模型分析
• 4.4.1 可化为线性的非线性回归
• 4.4.2 逐步回归分析
• 4.4.3 补偿模型的实验验证
• 4.4.4 补偿模型的普适性
• 4.4.5 温度补偿模型的时效验证
• 4.4.6 实时补偿的实现
• 4.4.7 小结
• 4.5 机抖激光陀螺零偏的自适应建模
• 4.5.1 数学模型
• 4.5.2 机抖激光陀螺零偏的自适应建模补偿分析
• 4.6 神经网络在机抖激光陀螺零偏的温度补偿中的应用研究
• 4.6.1 RBF 网络结构及学习方法
• 4.6.2 RBF 网络用于机抖激光陀螺零偏的辨识
• 4.6.3 小结
• 4.7 激光陀螺的标定
• 4.8 本章小结
• 第五章 加速度计温度补偿模型的研究
• 5.1 加速度计的误差分析
• 5.1.1 加速度计的误差补偿模型
• 5.1.2 加速度计的温度误差
• 5.2 加速度计的温度特性分析
• 5.2.1 加速度计本身正常工作时的温升的影响
• 5.2.2 系统正常工作时的温升对加速度计的影响
• 5.2.3 I/F 转换电路板正常工作时的温升对加速度计的影响
• 5.3 加速度计温补模型分析
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 温度补偿模型
• 5.3.3 温度补偿分析
• 5.3.4 温度补偿模型的时效验证
• 5.3.5 温度补偿模型的普适性
• 5.4 加速度计的标定
• 5.5 本章小结
• 第六章 捷联惯导系统的运动相关性误差补偿研究
• 6.1 振动与摆动对捷联惯导系统性能的影响
• 6.2 圆锥补偿算法原理
• 6.2.1 捷联惯导系统的姿态方程
• 6.2.2 双速算法与旋转矢量
• 6.2.3 非迭代的圆锥补偿算法的设计方法
• 6.2.4 迭代的圆锥补偿算法
• 6.2.5 圆锥补偿算法的仿真比较
• 6.3 划桨效应补偿的原理
• 6.4 激光陀螺捷联惯导系统的线振动测试
• 6.5 本章小结
• 第七章 系统工作性能测试
• 7.1 激光陀螺捷联惯导系统的静态测试
• 7.1.1 姿态对准精度测试
• 7.1.2 姿态保持精度测试
• 7.1.3 静态导航精度测试
• 7.2 激光陀螺捷联惯导系统的车载导航试验
• 7.3 激光陀螺捷联惯导系统的摇摆试验
• 7.4 激光陀螺捷联惯导系统有扰动条件下的对准测试
• 7.4.1 开发动机姿态对准测试
• 7.4.2 开发动机对准定位测试
• 7.5 激光陀螺捷联惯导系统的温度试验
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表或录用的学术论文
• 参考文献
• 附录 1:导航计算机电路原理图
• 附录 2 普通计数器电路的 VHDL 实现
• 附录 3 鉴相计数器电路的 VHDL 实现
• 附录 4: 测温电路原理图
• Fα ）=α'>附录 5 Fα （1 ,f）数值表,P （ Fm > Fα ）=α