基于机抖激光陀螺信号频域特性的SINS动态误差分析与补偿算法研究

论文摘要

随着国内激光陀螺水平的不断提高,机抖激光陀螺捷联惯导系统在国内惯性技术应用领域正日益受到重视,发挥越来越重要的作用。机抖陀螺特有的机械抖动特性,在消除陀螺锁区的同时,也使捷联系统具有一系列新的更为复杂的动态误差特性,系统的优化设计与误差补偿研究具有尤其重要的理论和现实意义。论文以机抖激光陀螺捷联惯导系统为研究对象,提出了捷联系统的算法设计必须与系统的信号特性和应用环境相适应的思想,基于机抖激光陀螺在不同条件下的信号频域特性,开展了捷联惯导系统动态误差与补偿算法研究。论文主要完成了以下研究工作：1.研究了激光陀螺的数字控制特性,设计了新的数字控制方法,为陀螺信号频域特性研究奠定了基础。根据陀螺的抖动偏频机理,研究了陀螺静态和动态锁区的误差特性,探讨了抖动参数与陀螺精度的关系,得到了陀螺抖动参数的选取原则；设计了一种新的不同于模拟抖动的非线性抖幅控制方法、随机注入方法和一种新的适于数字实现的直流稳频控制算法,建立了机抖激光陀螺数字控制系统。新算法大大简化了陀螺控制系统的硬件实现,提高了系统可靠性和可扩展性,改善了控制精度。2.研究了机抖激光捷联系统的动态误差特性,建立了系统动态误差的优化处理原则。首先比较研究了整周期同步和数字滤波两种抖动解调方法,指出数字滤波法为提高捷联系统精度提供了更多更灵活的手段和可能性,已逐步取代前者得到了广泛应用；之后分类研究了捷联系统的动态特性,根据运动来源和运动性质的不同,对系统可能存在的圆锥和划摇运动进行了分类,建立了以减振器滤除干扰运动、以滤波器滤除干扰噪声的系统动态误差优化处理原则；最后把上述结论应用于机抖激光捷联系统,结合实际信号的频谱特点,研究了静态环境中陀螺抖动偏频和抖动耦合引入的各种动态误差及处理方法,振动环境中高频谐波振动引入的动态误差及处理方法,指出主振动的高频谐波是振动环境下影响系统精度的主要因素。3.基于陀螺数字滤波的信号处理方式,提出应把陀螺信号滤波后的幅频和相频畸变作为影响捷联系统姿态解算精度的重要误差因素进行研究,指出通常的滤波器通带指标一般不能满足姿态解算的信号稳定性要求,可能严重影响捷联系统姿态解算精度。设计了一种新的能与信号频域特性相匹配的圆锥优化算法,推导了经典圆锥运动下的圆锥优化算法公式,研究了算法的误差特性,证明了该算法在任意运动形式下的普适性,并扩展了其在消除伪圆锥误差和补偿陀螺自身频率特性时的应用。优化算法不增加任何算法实现难度和计算量,优化效果与滤波器性能相关。仿真和实验研究表明：优化算法能有效补偿信号滤波引入的圆锥误差,随信号滤波条件的不同能提高数倍到数个量级的姿态解算精度。4.圆锥算法受陀螺信号滤波影响,划摇算法同时受陀螺和加速度计两者的信号滤波影响。提出把陀螺和加速度计两者信号的滤波畸变作为影响捷联系统导航解算精度的重要误差因素进行研究,设计了一种新的能与信号频域特性相匹配的划摇优化算法,推导了经典划摇运动下的划摇优化算法公式,揭示了在相同的信号滤波条件下的划摇优化算法和圆锥优化算法依然满足算法的“对偶”关系,并证明了优化算法在任意运动形式下的普适性。仿真和实验表明,划摇优化算法具有与圆锥优化算法相似的误差特性,能有效补偿信号滤波引入的划摇误差,显著改善捷联系统导航精度。5.针对角振动环境,设计了一种新的基于固定频率运动优化的圆锥算法。不同于标准算法误差随圆锥频率单调变化的特性,新算法在设定频点处具有误差极小点,因而能有效改善系统在特定频带上的姿态解算精度。当系统运动环境已知且运动频带较窄时,优化算法具有良好的应用效果。最后,把基于信号频域特性的圆锥和划摇优化算法组成一套完整的优化导航算法,通过Matlab捷联系统仿真平台和某型机抖激光捷联系统在转台晃动、环形车载和远距离车载等动态环境中的实验,研究了信号频域特性对捷联系统导航精度的影响,验证了优化算法在不同运动环境和不同信号滤波条件下的补偿性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 激光陀螺控制技术研究现状
• 1.2.2 激光陀螺信号频域特性研究现状
• 1.2.3 导航算法动态误差补偿技术研究现状
• 1.3 论文的主要内容、组织结构及主要贡献
• 1.3.1 论文的主要内容与组织结构
• 1.3.2 论文的主要贡献
• 第二章 激光陀螺数字控制特性研究
• 2.1 激光陀螺基本原理
• 2.1.1 激光陀螺的工作原理
• 2.1.2 激光陀螺误差特性
• 2.2 激光陀螺抖动规律研究
• 2.2.1 抖动偏频基本原理
• 2.2.2 抖动偏频的误差特性研究
• 2.2.3 随机抖动的误差特性研究
• 2.3 激光陀螺数字抖动控制算法研究
• 2.3.1 数字抖动控制流程
• 2.3.2 数字抖动控制建模
• 2.3.3 数字抖动的抖幅控制算法
• 2.3.4 数字随机抖动注入的控制算法
• 2.4 激光陀螺数字稳频算法研究
• 2.4.1 稳频控制原理
• 2.4.2 数字直流稳频算法设计
• 2.5 激光陀螺数字控制系统实现与实验验证
• 2.5.1 陀螺控制系统总体结构
• 2.5.2 陀螺测试与实验
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于信号频域特性的SINS动态误差特性研究
• 3.1 单个激光陀螺原始信号的频域特性
• 3.2 激光陀螺抖动解调方法研究
• 3.2.1 激光陀螺信号的前期处理
• 3.2.2 陀螺抖动解调方式对比研究
• 3.3 捷联系统动态误差的分类及处理原则
• 3.3.1 捷联系统的基本结构
• 3.3.2 捷联系统中圆锥和划摇运动的分类
• 3.3.3 不同性质的动态误差处理原则
• 3.3.4 信号频域特性与系统动态误差的关系
• 3.4 不同环境中的捷联系统动态误差研究
• 3.4.1 捷联系统中的陀螺信号频域特性
• 3.4.2 静态环境中的捷联系统动态误差研究
• 3.4.3 高频振动环境中的捷联系统动态误差研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于信号频域特性的圆锥优化算法研究
• 4.1 圆锥误差机理
• 4.1.1 圆锥漂移
• 4.1.2 标准圆锥算法
• 4.1.3 圆锥算法误差特性
• 4.2 信号滤波引入的姿态解算误差研究
• 4.2.1 信号滤波引入姿态解算误差的机理
• 4.2.2 信号滤波引入的姿态解算误差特性
• 4.3 基于信号频域特性的圆锥优化算法设计
• 4.3.1 信号滤波引入误差的补偿思路
• 4.3.2 圆锥优化算法设计
• 4.3.3 圆锥优化算法的误差特性
• 4.3.4 圆锥优化算法的运动环境普适性证明
• 4.4 圆锥优化算法在机抖激光捷联系统中的应用
• 4.4.1 相对圆锥误差
• 4.4.2 姿态算法漂移仿真
• 4.4.3 系统实验验证
• 4.4.4 圆锥优化算法的适用条件
• 4.5 圆锥优化算法的扩展应用
• 4.5.1 消除伪圆锥误差
• 4.5.2 对陀螺自身频率特性的补偿
• 4.6 基于固定频率运动优化的圆锥算法
• 4.6.1 基于固定频率运动优化的圆锥算法设计
• 4.6.2 姿态算法漂移仿真
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于信号频域特性的划摇优化算法研究
• 5.1 划摇误差机理
• 5.1.1 划摇漂移
• 5.1.2 标准划摇算法
• 5.1.3 划摇算法与圆锥算法的对偶关系
• 5.1.4 划摇算法的误差特性
• 5.2 信号滤波引入的导航解算误差研
• 5.2.1 信号滤波引入导航解算误差的机理
• 5.2.2 信号滤波引入的划摇算法误差特性
• 5.3 基于信号频域特性的划摇优化算法设计
• 5.3.1 划摇优化算法设计
• 5.3.2 划摇优化算法与圆锥优化算法的对偶性
• 5.3.3 划摇优化算法的误差特性
• 5.3.4 划摇优化算法的运动环境普适性证明
• 5.4 本章小结
• 第六章 机抖激光捷联系统动态误差仿真与实验研究
• 6.1 圆锥和划摇优化算法的综合仿真
• 6.1.1 捷联系统仿真模型
• 6.1.2 信号滤波对导航精度的影响
• 6.1.3 优化导航算法的性能验证
• 6.2 优化导航算法的实验验证
• 6.2.1 转台晃动实验
• 6.2.2 环形路线车载实验
• 6.2.3 远距离车载实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在攻读博士学位器期间参与的主要科研工作