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《国防科学技术大学》 2014年
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恒速偏频激光陀螺寻北系统精度与快速性影响因素与机理研究

于化鹏  
【摘要】:传统摆式陀螺寻北仪一般只能在完全静止状态下使用,虽然可达到数角秒的精度,但抗扰动性较差,且寻北时间较长。近年来,高精度激光陀螺和高精度石英挠性加速度计的研制不断取得进展。因而,高精度自主式捷联式寻北系统正越来越成为惯性技术领域的研究热点。提高寻北精度、缩短反应时间是寻北系统研制过程中的核心任务。为了满足高精度快速寻北需求,本论文重点研究了陀螺随机误差、IMU旋转调制方案、系统参数误差和典型环境对连续旋转式寻北系统的寻北精度与快速性的影响机理,针对相应的实际工程应用问题进行了详细分析,通过仿真与实际测试验证了所提出的各种算法的有效性。论文的主要研究工作和研究成果总结如下:1.提出采用快速正交搜索算法分离陀螺测量输出中恒速偏频转速不平稳、系统中周期性信号干扰等影响因素,并通过陀螺随机误差序列求差消除了偏频转台随机误差的影响,提取出陀螺随机噪声误差序列,通过提高陀螺随机噪声误差的采样频率,有效地测定了恒速偏频激光陀螺的平均角随机游走误差系数,验证了恒速偏频激光陀螺相对于抖动偏频激光陀螺角随机游走误差较小的优势,为寻北系统综合设计和器件遴选奠定了基础。2.提出采用随机线性系统理论的解析分析方法,建立了寻北系统静基座对准Kalman滤波器模型,采用随机可控制性能够定量分析转台恒速转动情况下陀螺随机噪声误差对系统滤波状态估计精度的影响,采用基于随机可观测性的可观测度解析方法能够定量分析速度观测噪声、角速率观测噪声和转台转速等对系统滤波状态收敛快速性的影响。通过定量分析噪声统计特性对方位连续旋转式寻北系统滤波状态的收敛速度和精度的影响,并利用单轴恒速偏频激光陀螺寻北系统原理样机进行实际测试,揭示了恒速偏频激光陀螺相对于抖动偏频激光陀螺寻北精度高的机理。3.提出基于扩张线性测量的观测模型对传统静基座对准Kalman滤波器模型进行改进,通过分析方位连续旋转式寻北系统中IMU测量输出的误差特性,得到寻北系统滤波状态的线性等价约束测量信息,从而提高了方位角收敛的精度和快速性。静基座单位置实验结果表明,对准时间为600 s时,采用传统滤波模型寻北精度为24.83″(1σ),而采用改进滤波模型寻北精度能够达到6.78″(1σ)。4.提出将主要系统参数误差对航向敏感误差的作用量进行整体标定,分析了航向敏感误差产生的机理,在不需外部基准和拆卸设备的情况下,采用最小二乘算法对航向敏感误差进行了有效的在线补偿。静基座多位置实验结果表明,在不需要系统完全调平(3o)的情况下,采用改进滤波模型、对准时间为600 s时,未补偿航向敏感误差时寻北精度为16.19″(1σ),而补偿航向敏感误差后系统寻北精度能够达到8.97″(1σ)。5.提出利用对准过程中速度残差序列加窗估计观测噪声协方差,并对观测信息进行去相关处理,得到了测量去相关改进的基于速度残差的观测噪声自适应滤波算法,该方法不需要预先得到观测噪声的精确统计特性,提高了系统的工程实用性和抗扰动性,进而有效地解决了扰动基座对准中采用标准Kalman滤波器存在的局限性。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN966

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