双轴旋转式光纤捷联惯导系统的误差特性研究

论文摘要

高精度的捷联惯导系统要采用高性能的惯性传感器与先进的系统技术。由于工艺制造水平的限制,制造高性能的惯性传感器难度很大,同时高性能的惯性传感器会使整个捷联惯导系统的成本提高。因此先进的系统技术一直以来都是捷联惯导系统的研究热点。传统的系统技术中,惯性传感器直接固联在载体上,数学平台跟踪地理坐标系。陀螺漂移和加速度计偏差造成了系统的常值误差和随着时间增长的误差,它们是影响捷联惯导系统的导航输出精度的主要因素。本课题提出的旋转式捷联惯导系统技术区别于传统技术,惯性传感器安装在旋转平台上,随旋转平台一起旋转。旋转式捷联惯导系统的系统误差特性发生变化,系统误差量在受到舒勒周期、傅科周期和地球自转周期调制的基础上,还将受到平台旋转的作用。即陀螺仪的零位误差和加速度的常值偏差在地理坐标系的投影值被旋转角速度调制,它们造成的系统误差被有效地抑制。本文以提高光纤陀螺捷联惯导系统的导航精度为目地,从误差分析的角度研究了双轴旋转式惯导系统的双轴旋转方案并进行了误差分析,探讨了双轴旋转方案下的初始标校技术,最终设计完成了双轴旋转式光纤陀螺惯导系统原理样机,并进行了相关导航试验,得出了光纤陀螺双轴旋转式惯导系统能够长时间、高精度导航的结论。首先给出了捷联惯导系统旋转调制的基本原理,并以此为依据,探讨分析了八次序翻滚方案的利和弊,在改进的八次序方案的基础上,给出了十六次序的翻滚方案,通过仿真验证了此双轴旋转方案的可行性。其次在确定双轴旋转式惯导系统的双轴旋转方案后,论文从理论分析和样机试验的角度研究双轴旋转式系统的误差特性。从理论上分析了各误差源在双轴旋转式系统中的误差效应,得到十六次序翻滚的双轴旋转式惯导系统不仅可以抵消惯性元件常值漂移误差,还可以抵消标度因数误差、安装误差等误差源；为了说明双轴旋转式系统的优越性,利用实验室自研的光纤捷联系统进行了静止、单轴、双轴的系统导航试验,通过对实验数据的分析和比较,验证了双轴旋转式系统具有高精度导航的潜力。论文最后双轴旋转式惯导系统的初始标校技术研究,建立了十九维估计量的状态方程和量测方程,并对变量进行了可观测性分析,通过仿真试验证明了双轴旋转式惯导系统的初始标校方案的可行性,为双轴旋转式系统提供了更有效的误差补偿方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 旋转式惯导系统的发展
• 1.3 光纤陀螺惯性系统的发展
• 1.4 课题的主要内容和安排
• 第2章 双轴旋转式系统的转位方案研究
• 2.1 旋转式惯导系统误差调制的基本原理探讨
• 2.1.1 误差调制原理的简单说明
• 2.1.2 旋转式惯导系统误差调制的本质
• 2.2 双轴旋转式惯导系统的旋转方案设计
• 2.2.1 双轴旋转方案设计的依据
• 2.2.2 八次序翻滚方案的可行性分析
• 2.2.3 改进的八次序翻滚方案
• 2.3 十六次序翻滚的双轴旋转式惯导系统研究
• 2.4 系统仿真与结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 双轴旋转式惯导系统的误差研究
• 3.1 惯性元件漂移的补偿特性
• 3.2 标度因数误差效应研究
• 3.3 安装误差效应研究
• 3.3.1 安装误差引起的数学平台误差角度
• 3.3.2 双轴旋转式惯导系统安装误差的自动补偿
• 3.4 双轴旋转式系统中其它误差效应研究
• 3.4.1 转位运动引起的锯齿形速度误差效应研究
• 3.4.2 加速度计的二阶非线性误差效应研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 双轴旋转式惯导系统初始标校技术研究
• 4.1 旋转式惯导误差模型及卡尔曼滤波器的设计
• 4.1.1 卡尔曼滤波算法原理
• 4.1.2 惯导误差模型的建立
• 4.1.3 状态方程和量测方程的建立
• 4.2 旋转式惯导系统状态误差的可观测性分析
• 4.2.1 PWCS可观测性分析理论
• 4.2.2 双轴旋转对准中的可观测性分析结果
• 4.3 基于奇异值分解的可观测度分析
• 4.3.1 基于奇异值分解的可观测度分析理论
• 4.3.2 可观测度分析结果
• 4.4 仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 双轴旋转式惯导系统的导航试验与分析
• 5.1 捷联系统与三轴转台的组合标定
• 5.2 不旋转试验
• 5.3 单轴旋转试验
• 5.3.1 单轴旋转方案设计
• 5.3.2 单轴旋转试验结果
• 5.4 双轴转位方案下的导航实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢