无陀螺捷联惯导系统加速度计构型研究与误差分析

【摘要】：目前,抑制无陀螺捷联惯导系统(Gyro-Free Strap-down Inertial Navigation System, GFSINS)应用最主要的难题是角速度的精度较低,而影响角速度精度的最大因素是GFSINS中加速度计空间构型的安装误差,而目前所有的加速度计构型方案都属于立体式的坐标轴构型模式,该模式优点是构型方案的设计过程简单,然而其不便于实际工程实现,容易造成较大的安装误差,降低了GFSINS的精度并影响其应用前景。本文从尽可能减小构型安装误差角度出发,在总结以往研究成果的基础上,提出了一种将所有加速度计安装在一个平面基座内的加速度计平面式构型方案,并对该构型方案展开研究,主要包括以下几方面内容。 1.无陀螺捷联惯导系统导航原理论述。介绍惯导系统常用坐标系,并推导GFSINS载体上任意一点加速度计输出表达式,并据此导出基于多个线加速度计的载体线运动和角运动测量原理。推导判定GFSINS加速度计构型方案的可行性判据和完整的GFSINS导航方程。 2.无陀螺捷联惯导系统加速度计平面式构型方案研究 从尽可能减小GFSINS加速度计安装误差角度出发提出一种针对弹体类载体的平面式加速度计构型方案并针对其展开深入分析和讨论。根据平面式构型方案中加速度计安装特点,将加速度计分为“垂直加速度计”和“平行加速度计”两类,并根据载体上加速度计输出表达式分析两类加速度计各自的测量特性。结合GFSINS加速度计构型方案可行性判据与两类加速度计测量特性,分析平面式构型中满足构型可行性判据的加速度计选择要求,即“系统加速度计”的选择方案。从提高角速度解算精度出发,并结合两类加速度计测量特性,分析平面式构型中“观测加速度计”的选择要求。从提高系统冗余度考虑,根据惯性元件故障诊断理论,分析平面式构型方案中冗余加速度计的选择要求,并从尽量减少加速度计数量的角度考虑,提出了一种重复利用观测加速度计并采用软件实现的“软余度”方案。根据上述分析结果,提出了一种十二加速度计平面式构型,并进行了合理性分析。结合传统捷联惯导系统中设计惯性元件冗余方案时采用的代价函数,分析该构型中各类加速度计故障情况下的冗余方案。最后以各加速度计均处于正常工作状态为例,导出该构型方案中的载体质心比力和角速度解算模型。 3无陀螺捷联惯导系统角速度非线性估计。根据角速度解算模型,推导出离散的角速度非线性估计方程,并根据其噪声相关性,变形得到噪声无关的角速度估计模型。为应对扩展kalman估计器在使用过程中对系统模型和噪声统计特性敏感,容易出现发散的情况,将自适应强跟踪kalman滤波器引入到角速度估计过程,以应对各种未知误差。并通过仿真试验验证算法的有效性。 4无陀螺捷联惯导系统误差分析。分析了GFSINS中的各类误差源,并特别比较了其不同于有陀螺捷联惯导系统的误差源。参考有陀螺捷联惯导系统误差方程,推导出完整的GFSINS误差方程。分析GFSINS中两种最主要的误差源——无陀螺惯性单元加速度计测量误差和安装误差的误差模型,并采用前文的角速度仿真模型,比较分析加速度计测量误差和安装误差在GFSINS中的误差影响。 5无陀螺捷联惯导系统误差标定与补偿 根据GFSINS加速度计测量误差和安装误差级别的不同,制定出先标定加速度计测量误差,再标定加速度计安装误差的标定流程,最后研究利用误差系数的实时误差补偿算法。参考相关惯性器件测试与标定文献,首先利用重力场静态翻滚法对加速度计的静态模型进行标定测试,然后在此基础上利用三轴转台来测试其动态误差模型。在标定出加速度计静动态模型基础上,根据加速度计安装误差中敏感方向误差和位置误差的特点,首先采用重力场静态翻滚标定加速度计敏感方向误差,针对前文的十二加速度计平面式构型,设计了重力场内两个位置翻滚方案,即可完全标定出该构型方案中所有加速度计的敏感方向误差。在标定出各加速度计敏感方向误差的基础上,设计了水平面的倾角转台试验来激发出加速度计的安装位置误差,针对十二加速度计方案的安装特点,采用三种安放位置三个倾角的转台旋转试验来标定出该构型方案中所有加速度计的位置误差。根据该两类误差作用的相似性,同时也是为了不改变前文的角速度解算模型,推导出了这两类误差的组合误差表达式,并提出了一种基于非线性迭代最小二乘法的在线实时误差补偿算法,并通过仿真试验验证该补偿算法的有效性。