旋转式捷联惯导系统误差分析与转动方案研究

论文摘要

捷联式惯导系统将惯性元件直接固联于运载体,省去了复杂的机电式导航平台,凭借体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低、可靠性高等诸多优点,正在逐步取代平台式惯导系统。但由于惯性元件精度和工作环境的影响,捷联惯导系统的导航精度相对较低。为了在现有惯性元件制造水平的基础上进一步提高捷联惯导系统的精度,采用误差旋转自动补偿技术是一个行之有效的办法。本文就是针对光学陀螺捷联惯导系统的旋转补偿技术展开研究的。本文的主要工作包括以下三部分:(1)在捷联惯导系统研究的基础上,本文首先分析了旋转补偿技术的误差抑制机理,并探讨了旋转式惯导系统的基本结构和惯性元件漂移误差自动补偿的原理。随后建立了旋转式捷联惯导系统的动态误差模型,推导出系统误差的解析表达式。最后分析了各类误差源(包括刻度因数误差、安装误差、随机漂移误差、尺寸效应误差等)在旋转式捷联惯导系统中的误差效应。(2)旋转式惯导系统的转动方案研究。本文首先分析了不同转动方式对系统误差补偿效果的影响,并提出了转动方案的评价准则。然后讨论了具有可行性的系统转动方案,包括单轴二位置转动方案、单轴四位置转动方案和双轴八次序转动方案,比较了不同转动方案的优缺点。(3)本文设计了数学仿真模型,证明了转动条件下导航误差解析表达式的正确性。设计了转台实验,以实际数据验证了旋转式捷联惯导系统对于惯性导航精度的改善效果,对旋转方案进行了工程验证。通过本文的理论分析、系统仿真和工程实验,说明采取旋转IMU的误差自动补偿技术可以有效补偿惯性元件漂移误差及其它多项误差,通过合理地设计系统的转动方案可以大大提高惯导系统的导航精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.1.1 课题来源及研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 惯性导航系统综述
• 1.2.1 惯性技术与惯性导航系统
• 1.2.2 惯导系统的发展趋势
• 1.3 误差旋转自动补偿技术的发展现状
• 1.3.1 旋转补偿技术在PINS 中的应用现状
• 1.3.2 旋转补偿技术在SINS 中的应用现状
• 1.3.3 旋转补偿技术的发展前景
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 捷联惯导系统基本原理及误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 捷联惯导系统的基本结构
• 2.3 常用坐标系及变换关系
• 2.3.1 常用坐标系定义
• 2.3.2 各坐标系之间的转换关系
• 2.4 捷联惯导系统的导航计算
• 2.4.1 惯导基本方程和速度的计算
• 2.4.2 经、纬度方程和高度计算
• 2.4.3 姿态角的提取
• 2.5 捷联惯导系统的误差分析
• 2.5.1 捷联惯导系统的误差模型
• 2.5.2 捷联惯导系统的误差传播特性
• 2.6 惯性元件的误差建模
• 2.6.1 惯性元件的误差数学模型分类
• 2.6.2 刻度因数误差
• 2.6.3 安装失准角误差
• 2.6.4 随机噪声误差
• 2.6.5 陀螺零位漂移误差
• 2.6.6 加速度计零位偏置误差
• 2.6.7 加速度计的二阶非线性误差
• 2.6.8 捷联惯导系统的尺寸效应
• 2.6.9 陀螺的输出误差模型
• 2.6.10 加速度计的输出误差模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 旋转式捷联惯导系统的原理和误差分析
• 3.1 引言
• 3.2 旋转式捷联惯导系统的误差抑制机理
• 3.3 旋转式捷联惯导系统的结构和原理
• 3.3.1 单轴旋转系统误差补偿原理
• 3.3.2 双轴旋转系统误差补偿原理
• 3.4 旋转式捷联惯导系统的误差分析
• 3.4.1 动基座下旋转惯导系统的误差模型
• 3.4.2 惯性元件的常值漂移在系统中的误差特性分析
• 3.5 旋转式捷联惯导系统的误差效应研究
• 3.5.1 误差效应的研究方法
• 3.5.2 惯性元件的刻度因数误差效应
• 3.5.3 惯性元件的安装误差效应
• 3.5.4 惯性元件的随机噪声误差效应
• 3.5.5 加速度计的二阶非线性误差效应
• 3.5.6 加速度计的尺寸效应误差
• 3.5.7 锯齿形速度误差效应
• 3.5.8 初始对准误差效应
• 3.5.9 转动机构测角误差效应
• 3.6 本章小结
• 第4章 旋转式捷联惯导系统的转动方案研究
• 4.1 引言
• 4.2 转动方式对系统误差补偿效果的影响
• 4.2.1 转轴位置的选取对误差补偿效果的影响
• 4.2.2 转动速率的选取对误差补偿效果的影响
• 4.2.3 往复转动对系统误差补偿效果的影响
• 4.3 转动方案的评价准则
• 4.4 单轴转动方案研究
• 4.4.1 单轴旋转系统转动方式的选取
• 4.4.2 单轴二位置转动方案
• 4.4.3 单轴四位置转动方案
• 4.4.4 单轴转动方案的优缺点分析
• 4.5 双轴转动方案研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 旋转式捷联惯导系统的仿真和实验
• 5.1 引言
• 5.2 系统仿真实验
• 5.2.1 系统的数学仿真模型
• 5.2.2 仿真实验设计
• 5.2.3 仿真条件
• 5.2.4 仿真结果与分析
• 5.3 转台实验
• 5.3.1 静态实验
• 5.3.2 单轴旋转实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢