旋转调制激光陀螺寻北系统外场标定方法研究

论文摘要

随着激光陀螺技术的日渐成熟,国内采用激光陀螺研制寻北系统取得较大发展。但是,高精度的激光陀螺寻北系统外场标定方面的研究还处于探索阶段,没有成熟的应用范例。本文以工作在恒速偏频状态下的三个激光陀螺和三个加速度计构成的车载高精度旋转调制式寻北系统(本文简称为“寻北系统”)为研究对象,基于寻北系统自身的旋转调制单轴速率转台,深入研究了寻北系统在外场不拆离载车条件下的标定问题。使得外场条件下,寻北系统能够长期稳定使用,保证在特定的应用情况下具有有效的寻北精度。论文主要研究工作如下:(1)建立了陀螺和加速度计的安装关系、标度因数等参数误差对寻北精度的影响模型,推导了各个参数误差与寻北结果稳态误差之间关系的解析表达式。利用解析表达式,定量计算分析了各个参数对寻北精度影响的显著性。建立了陀螺安装关系参数的外场标定模型,建立了转台测角误差对寻北精度的影响模型,推导了转台测角误差参数与寻北结果稳态误差之间的解析表达式。定量计算分析了转台测角周期性误差对寻北精度的影响特性。(2)通过实验验证陀螺和加速度计的安装关系、标度因数等各个参数误差对寻北精度的影响。实验发现,影响旋转调制式寻北系统精度的主要因素为陀螺敏感轴水平投影之间的夹角,且寻北误差与陀螺水平投影角变化量成正比,验证了理论推导的结论。(3)转台测角误差影响寻北精度的实验分析表明,转台测角周期性误差引起方位角曲线周期性的波动,且波动幅值与测角误差谐波幅值成正比,影响寻北精度,验证了理论推导的结论。根据转台周期性测角误差模型,研究了转台测角误差的标定方法,并对标定方法进行了验证实验。实验结果表明,标定后的寻北过程曲线没有了周期性的波动,进一步提高了寻北结果的稳定性。(4)针对恒速偏频状态下的三个激光陀螺和三个加速度计构成寻北系统,由于静态及旋转调制转台机械调平良好的情况下,只需两个陀螺就可以得到高精度寻北结果,提出了一种基于双陀螺寻北结果和三陀螺寻北结果差异的陀螺安装关系外场标定方法。设计了一种基于虚拟陀螺原理的双陀螺寻北算法。分别推导了陀螺敏感轴水平投影角变化量引起的双陀螺寻北算法及三陀螺寻北算法寻北稳态误差关系式。最后,基于陀螺敏感轴水平投影角变化量造成的三陀螺寻北算法和双陀螺寻北算法结果间的差异,建立了陀螺水平投影角误差标定方程,实现了误差参数标定。对于由于故障需要更换陀螺的情况,可在外场按该方法标定新安装陀螺的安装参数,提高了系统可维修性。(5)对陀螺安装关系参数模型的标定方法进行了实验验证。根据本文建立的陀螺安装关系参数模型(三个陀螺敏感轴倾角和两个陀螺敏感轴水平投影角),在静基座及转台机械调平误差小于15″的实验条件下,采用外场标定方法对陀螺倾角和陀螺水平投影角的变化量进行了标定,标定精度约为4″(1σ)。对比外场标定方法标定所得的结果和高精度三轴转台标定所得的结果,标定结果基本一致,相对误差优于4″(1σ),标定方法具有较好的工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光陀螺旋转调制寻北技术研究进展
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 课题研究现状
• 1.4 论文研究主要内容和组织结构
• 第二章 标定参数误差对寻北精度的影响模型
• 2.1 寻北系统坐标系定义及寻北结果的欧拉角与方向余弦阵
• 2.1.1 寻北系统相关坐标系定义
• 2.1.2 寻北结果的欧拉角与方向余弦阵表示
• 2.2 寻北系统外场标定参数模型
• 2.2.1 陀螺外场标定参数模型
• 2.2.2 加速度计外场标定参数模型
• 2.2.3 转台测角误差参数模型
• 2.3 标定参数误差与寻北稳态误差关系的推导
• 2.3.1 寻北稳态误差推导
• 2.3.2 陀螺标定参数误差与寻北稳态误差关系的推导
• 2.3.3 加速度计标定参数误差与寻北稳态误差关系的推导
• 2.3.4 转台测角误差与寻北稳态误差关系的推导
• 2.4 标定参数误差影响的显著性分析
• 2.4.1 陀螺安装关系误差影响的显著性分析
• 2.4.2 陀螺标度因数误差影响的显著性分析
• 2.4.3 加速度计安装关系误差影响的显著性分析
• 2.4.4 加速度计标度因数误差影响的显著性分析
• 2.4.5 转台测角误差影响的显著性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 标定参数误差对寻北精度影响的实验验证分析
• 3.1 陀螺安装关系误差对寻北精度影响的实验分析
• 3.1.1 固定初始方位角寻北实验
• 3.1.2 不同初始方位角寻北实验
• 3.2 陀螺标度因数误差对寻北精度影响的实验分析
• 3.3 加速度计安装关系误差对寻北精度影响的实验分析
• 3.4 加速度计标度因数误差对寻北精度影响的实验分析
• 3.5 转台测角误差对寻北精度影响的实验分析及标定方法研究
• 3.5.1 转台测角误差对寻北精度影响的实验分析
• 3.5.2 外场标定方法研究
• 3.5.3 标校实验及分析
• 3.5.4 寻北实验及分析
• 3.6 本章小节
• 第四章 基于寻北误差的陀螺安装关系外场标定方法研究
• 4.1 虚拟陀螺误差特性分析及双陀螺寻北算法实现
• 4.1.1 虚拟陀螺原理
• 4.1.2 虚拟陀螺误差特性分析
• 4.1.3 双陀螺寻北算法实现
• 4.2 陀螺倾角外场标定方法研究
• 4.3 陀螺水平投影角误差外场标定方法研究
• 4.3.1 陀螺水平投影角误差与三陀螺寻北系统寻北误差关系推导
• 4.3.2 陀螺水平投影角误差与双陀螺寻北算法寻北误差关系推导
• 4.3.3 陀螺水平投影角误差标定
• 4.4 陀螺安装关系外场标定算法描述
• g 陀螺安装关系变化的标定算法描述'>4.4.1 仅z^g陀螺安装关系变化的标定算法描述
• g 陀螺安装关系变化的标定算法描述'>4.4.2 仅y^g陀螺安装关系变化的标定算法描述
• g和y^g 陀螺安装关系变化的标定算法描述'>4.4.3 z^g和y^g陀螺安装关系变化的标定算法描述
• 4.4.4 三个陀螺安装关系都变化的标定算法描述
• 4.5 本章小结
• 第五章 标定实验及结果分析
• 5.1 陀螺倾角标定实验
• 5.2 陀螺水平投影角标定实验
• 5.3 陀螺水平投影角误差标定实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果