激光陀螺捷联姿态路谱测量系统研究

论文摘要

论文以军事科研任务“自行武器动态试验模拟设备”为背景,对基于机抖激光陀螺的捷联姿态谱测量系统进行了全面深入的理论和实验研究,并在此基础上研制出了自行武器路谱测量系统并投入使用。论文主要工作如下:1.对激光陀螺捷联姿态路谱测量系统的理论进行了系统的研究,得到了姿态路谱测量系统的理论描述模型和误差描述模型。2.设计、研制了一套激光陀螺姿态路谱测量系统并应用于军事领域,包括系统结构设计、激光陀螺的选择和测试、激光陀螺安装基座的设计和仿真,激光陀螺信号处理电路的设计等。3.对捷联系统中的圆锥运动进行了深入的研究,并用经典圆锥运动对姿态算法的漂移进行了仿真计算;推导了机抖激光陀螺系统中二频圆锥误差的计算公式,为机抖激光陀螺构成的系统估计抖动圆锥误差提供了参考依据。4.根据系统误差方程,分析了系统的误差传播特性,推导出静基座条件下姿态测量误差与系统中各误差源之间的解析表达式,并进行了仿真分析。针对姿态谱测量系统在路谱测量中的典型应用,建立了系统的动态误差方程和Simulink仿真模型,并进行了全面的动态仿真分析。5.推导了基于三轴转台的用于标定系统中激光陀螺刻度因子误差和安装误差的公式。实验结果表明激光陀螺标度因数的误差优于1.5ppm,安装误差优于2.2″。6.对静基座条件下机抖激光陀螺捷联姿态路谱测量系统的初始对准方法进行了研究,并针对车载应用较多的最优两位置对准和测漂方法进行了理论和实验研究。实验结果表明路谱测量系统的水平对准精度优于12″,航向角对准精度优于1.2′,三个激光陀螺的常值漂移标定精度优于0.023′/hr。7.对所研制的姿态路谱测量系统进行了全面的性能测试包括静态性能测试、高低温测试、精度测试、角速度性能测试、车载动态测试以及工程实际应用等。结果表明所研制系统的合理性和理论模型的正确性,系统10min内的姿态测量精度达到22″。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 激光陀螺简介
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 激光陀螺的特点
• 1.3 激光陀螺姿态测量系统的主要性能要求
• 1.4 激光陀螺及捷联姿态测量系统现状
• 1.5 论文研究的目的和主要内容
• 1.6 论文中的符号与坐标系约定
• 第二章 载体的角运动模型
• 2.1 参考坐标系的定义和坐标变换
• 2.1.1 参考坐标系的定义
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 姿态角真值的求取
• 2.2 捷联姿态的描述
• 2.2.1 惯性姿态测量模型
• 2.2.2 欧拉角法
• 2.2.3 方向余弦法
• 2.2.4 四元数法
• 2.2.5 等效旋转矢量法
• 2.2.6 姿态更新算法的比较
• 2.2.7 捷联姿态算法的误差分析
• 2.3 捷联系统的圆锥误差
• 2.3.1 圆锥运动
• 2.3.2 二频圆锥运动
• 2.3.3 二频圆锥误差与抖动频率的关系
• 2.3.4 产生圆锥误差的主要因素
• 2.4 基于等效旋转矢量的捷联姿态算法
• 2.4.1 旋转矢量的补偿
• 2.4.2 基于经典圆锥运动的优化姿态算法
• 2.4.3 经典圆锥运动下姿态算法漂移的仿真
• 第三章 激光陀螺姿态路谱测量系统的总体方案
• 3.1 系统的构成
• 3.2 惯性测量单元
• 3.2.1 惯性器件的选择
• 3.2.2 仪表电子电路
• 3.2.3 姿态计算机
• 3.2.4 输入/输出接口
• 3.3 机抖激光陀螺输出信号中的抖动解调
• 3.4 IMU在陀螺抖动作用下的简化动力学模型
• 3.5 IMU的圆锥漂移误差估计
• 3.6 姿态路谱测量系统中的二频圆锥误差分析
• 3.7 尺寸效应误差
• 3.8 姿态路谱测量系统的计算流程图
• 第四章 系统的标定和误差补偿方法研究
• 4.1 标定方法简介
• 4.2 激光陀螺的误差数学模型
• 4.3 激光陀螺的刻度因子和安装误差的标定方法
• 4.3.1 标定方法
• 4.3.2 精度分析
• 4.3.3 旋转实验法的优点
• 第五章 激光陀螺姿态路谱测量系统的误差分析
• 5.1 系统的误差来源
• 5.2 捷联姿态路谱测量系统中的惯性器件误差
• 5.2.1 激光陀螺的误差分析
• 5.2.2 加速度计的误差分析
• 5.2.3 惯性器件输出模型
• 5.3 姿态解算误差分析
• 5.4 初始对准误差
• 5.5 姿态测量系统误差模型
• 5.5.1 系统误差方程
• 5.5.2 姿态路谱测量系统测量模型的简化
• 5.6 系统误差特性分析
• 5.7 静基座条件下系统误差传播特性的分析和仿真
• 5.7.1 激光陀螺零偏与系统误差的关系
• 5.7.2 加速度计偏值与系统误差的关系
• 5.7.3 初始纬度误差对系统误差的影响
• 5.7.4 激光陀螺刻度因子误差与系统误差的关系
• 5.7.5 加速度计刻度因子误差与系统误差的关系
• 5.7.6 激光陀螺安装误差与系统误差的关系
• 5.7.7 加速度计安装误差与系统误差的关系
• 5.7.8 激光陀螺和加速度计的随机游走与系统误差的关系
• 5.7.9 初始误差与系统误差的关系
• 5.8 系统动态误差分析
• 第六章 静基座下系统的初始自对准技术
• 6.1 初始对准的分类
• 6.2 自主式初始对准过程
• 6.3 初始对准的原理
• 6.4 初始对准的误差传播方程
• 6.5 一次修正粗对准
• 6.6 经典对准方法及仿真
• 6.6.1 水平对准
• 6.6.2 方位对准
• 6.7 双位置对准及测漂计算
• 6.7.1 两位置对准及测漂基本原理
• 6.7.2 卡尔曼滤波算法
• 第七章 激光陀螺姿态路谱测量系统的设计与实现
• 7.1 系统的目的和构成
• 7.2 传感器的选用
• 7.2.1 激光陀螺的选择
• 7.2.2 双轴电子倾角仪的选择
• 7.3 激光陀螺外围电路
• 7.4 角姿态信号处理模块
• 7.4.1 激光陀螺信号处理电路
• 7.4.2 姿态计算机
• 7.4.3 软件设计
• 7.4 编辑器
• 7.5 上位机软件设计
• 7.6 系统的机械结构设计
• 7.7 信号的滤波
• 7.8 姿态路谱测量系统的标定
• 7.8.1 测试设备
• 7.8.2 标定结果
• 7.9 采用电子倾角仪时的初始对准
• 7.10 系统动态误差模型
• 7.11 系统动态误差的仿真
• 7.11.1 仿真系统设计
• 7.11.2 系统误差建模
• 7.11.3 车载系统仿真结果
• 7.12 捷联姿态路谱测量系统误差分析
• 7.12.1 误差源的影响分析
• 7.12.2 初始姿态角的影响
• 7.12.3 激光陀螺零漂误差的影响
• 7.12.4 安装误差的影响
• 7.12.5 初始误差的影响
• 7.12.6 测量时间的影响
• 7.12.7 地理纬度的影响
• 7.13 误差分配方案
• 第八章 系统性能测试与分析
• 8.1 系统的静态测试
• 8.1.1 系统的高低温测试
• 8.1.2 系统的角速度性能测试
• 8.1.3 初始对准精度测试
• 8.1.4 姿态保持精度测试
• 8.2 系统的姿态测量精度测试
• 8.2.1 系统姿态精度测试
• 8.2.2 系统单轴运动精度测试
• 8.3 系统的车载测试及路谱录取
• 8.3.1 系统的车载试验
• 8.3.2 路谱录取试验
• 8.4 路谱复现实验
• 8.5 系统的模拟输出性能测试
• 8.6 系统的性能指标
• 第九章 总结与展望
• 9.1 主要研究结论
• 9.2 进一步研究展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 参考文献
• 附录1 三个姿态角动态测量数据