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《哈尔滨工程大学》 2012年
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光纤陀螺捷联惯导系统在线对准及标定技术研究

曹通  
【摘要】:为了适应目前舰船导航系统要求,光纤陀螺捷联惯导系统的研究和工程化是面临的十分关键和迫切的任务。在已有硬件设备的基础上提高导航精度是惯性技术领域中需研究的课题之一。本文从提高船用光纤陀螺捷联惯导系统的实际需求出发,对系统在线初始对准技术和标定技术展开研究。主要研究工作包括以下五个方面: 1、基于在惯性系选取参考矢量的粗对准方法,对捷联惯导惯性系对准展开了误差分析。分别推导了陀螺常值漂移和加速度计零偏与惯性系对准精度之间的解析表达式,并与以往解析对准法进行了精度对比分析,为惯性系对准法提供理论依据。分析了惯性系对准中两速度参考矢量采样点选取对对准精度的影响,推导了参考矢量时间采样点的最优选取方式。 2、针对以往惯性系对准法在处理陀螺随机噪声时存在的不足,对惯性系对准法作了改进,利用HMMKF滤波器具备实时滤除随机噪声地特性,提出一种基于HMMKF滤波的在线初始对准方法。对HMMKF滤波方程进行了简化,分析了HMMKF的滤噪机理,与数字滤波器的对比研究表明HMMKF滤波实时性能保证了初始对准的要求。研究了失准角与惯性器件标定误差之间的关系,为了使失准角更充分地反映惯性器件的标定误差,提出一种采用HMMKF滤波的捷联惯组六位置快速标定方法,并进行了实验,验证了该方法的有效性。 3、提出一种捷联惯导初始对准的可观测性解析分析法,对与初始对准精度相关的航向角、纵摇角及横摇角进行了分析和对比,在此基础上推导了最优姿态的对准方式。之后,出于对残余失准角作进一步补偿的需要,将残余失准角扩充为状态变量,提出一种基于速度加残余失准角的二次快速自主对准方法。推导了引入新状态变量后的系统模型和观测模型,并进行了仿真验证。 4、根据IMU不同角位置下惯性器件误差在地理坐标系上投影分量的不同,利用旋转机构精准的转位功能,提出一种可自动消除不可观测状态引起对准误差的三位置对准方法。推导了最优IMU三位置,与以往固定位置、两位置对准的对比实验表明该方法可有效提高初始对准精度。研究了多位置下失准角估值与惯性器件误差之间的关系,提出一种基于单轴旋转捷联惯导系统的三位置现场标定方法。推导了估计惯性器件零偏的三位置标定方程,并对最优三位置进行了理论分析和实验验证。 5、建立基于转动四元素的转台误差模型,研究了转台的不水平误差、角位置控制误差及转动轴的非正交误差对捷联惯导系统六位置标定精度的影响。推导了转台误差与惯性测量组件标定精度之间的关系。利用三轴转台可提供更多转动位置的功能,提出一种利用水平失准角估值反求加速度计零偏和安装误差角的十位置标定方法。通过分离待标定参数、及分析转台误差对标定精度的影响,推导了基于滤波的加速度计最优十位置标定方程,实现了在分立标定基础上进一步估计和补偿加速度计残余标定误差,提高了加速度计的标定精度。
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