速率偏频激光陀螺寻北系统算法快速性与误差标定补偿方法研究

论文摘要

速率偏频激光陀螺寻北系统能够自主确定当地垂线及真北方向,具有启动快、抗恶劣环境、精度高的优点,在军用和民用领域具有广泛的应用前景。寻北的精度和快速性是寻北系统的重要技术指标。本文根据速率偏频激光陀螺寻北系统的误差特性,通过误差参数标定补偿和寻北算法优化,进一步提高了寻北系统的精度和快速性。论文主要进行了以下几方面的研究工作:1.分析了速率偏频激光陀螺寻北系统的安装误差、激光陀螺刻度因子误差和零偏误差、加速度计刻度因子误差和零偏误差、基座扰动误差等误差因素的不同特性及其对寻北精度的影响;提出在激光陀螺抖动偏频方式下标定激光陀螺和加速度计的安装关系矩阵,理论推导出寻北系统坐标系转化算法和陀螺倾角标定算法,从而标定出速率偏频旋转轴与激光陀螺、加速度计之间的安装关系,使连续旋转条件下能够连续输出基准棱镜法线方向与真北方向的夹角,快速输出寻北结果;实现了一种速率偏频激光陀螺刻度因子和零偏的标定方法。2.实现了连续转动条件下的快速粗对准算法,实验表明,粗对准精度高,由于初始姿态角误差小,缩短了Kalman滤波精对准的误差收敛时间,从而提高了寻北快速性。3.论文根据寻北系统的误差特性,基于可观测度分析和数学仿真,提出了以下寻北算法:根据陀螺刻度因子和加速度计零偏随温度变化的误差特性,分别建立二次非线性误差模型,理论推导了基于二次拟合的参数估计算法;采用降维设计Kalman滤波器提高精对准滤波的快速性,得到寻北结果。实验表明,陀螺刻度因子和加速度计零偏误差补偿效果好,降维Kalman滤波器能快速估计出陀螺零偏误差,提高了寻北精度。4.实验室环境下单位置多组实验和多位置实验验证了论文中的寻北算法,实验结果表明,3分钟寻北精度优于1′(1σ),算法显著提高了寻北系统的精度和快速性。室外车载扰动环境下实验验证了寻北系统具有抗扰动效果,实验结果表明扰动环境下,3分钟寻北精度均方差优于2′(1σ)。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 激光陀螺寻北系统的应用发展概况

1.2 寻北系统国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文的主要内容

第二章寻北系统误差分析

2.1 系统安装误差分析

2.2 激光陀螺误差分析

2.2.1 激光陀螺常见误差分析

2.2.2 速率偏频激光陀螺误差分析

2.3 加速度计误差分析

2.4 基座扰动误差分析

2.5 本章小结

第三章标定算法与实验验证

3.1 常用坐标系定义

3.2 抖动偏频方式激光陀螺寻北系统标定理论、实验及验证

3.2.1 标定理论

3.2.2 标定实验过程

3.2.3 标定实验结果与验证

3.3 坐标系转换矩阵和陀螺倾角标定

0 系转换到台面坐标系b 系转换矩阵'>3.3.1 从斜装载体坐标系6₀ 系转换到台面坐标系b 系转换矩阵

p 系转换矩阵'>3.3.2 从台面坐标系 b 系到台体坐标系b_p系转换矩阵

3.3.3 陀螺倾角标定算法

3.4 速率偏频方式激光陀螺刻度因子和零偏标定

3.4.1 初始北向角ψ已知

3.4.2 初始北向角ψ未知

3.5 本章小结

第四章基于Kalman 滤波的快速寻北算法

4.1 粗对准算法原理

4.1.1 传统静基座粗对准与动基座粗对准对比

4.1.2 连续旋转基座粗对准算法原理

4.1.3 连续旋转基座粗对准实验结果

4.2 基于 Kalman 滤波寻北算法研究

4.2.1 Kalman 滤波算法与可观测度分析

4.2.2 捷联惯导系统通用误差方程推导

4.2.3 15 状态 Kalman 滤波器设计与可观测度分析

4.3 陀螺刻度因子误差预估计算法

4.3.1 陀螺刻度因子误差预估计算法理论推导

4.3.2 陀螺刻度因子误差预估计算法仿真分析

4.3.3 陀螺刻度因子误差预估计算法实验结果

4.4 加速度计零偏误差预估计算法

4.4.1 加速度计零偏误差预估计算法理论推导

4.4.2 加速度计零偏误差预估计算法仿真分析

4.4.3 加速度计零偏误差预估计算法实验结果

4.5 Kalman 滤波器降维设计

4.5.1 8 状态Kalman 滤波器设计

4.5.2 8 状态Kalman 滤波器可观测度分析

4.6 本章小结

第五章实验验证与精度分析

5.1 单位置快速寻北实验

5.2 多位置快速寻北实验

5.3 室外车载扰动环境单位置快速寻北实验

5.4 标定误差对寻北结果的影响

5.5 本章小节

第六章结论与展望

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

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