半球谐振陀螺误差分析和滤波方法研究

【摘要】： 半球谐振陀螺是20世纪60年代才出现的一种新型陀螺。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比,半球谐振陀螺具有如下优势:结构上无高速转子、无活动部件;不需预热,启动时间短;信号频带宽,漂移噪声低;能承受大的机动过载;抗核辐射,并可经受短时间电源中断的影响;体积小,重量轻,功耗低,寿命长,非常适合空间应用。本文分析了国产某型半球谐振陀螺的误差,针对其信号特征,研究了通过信号滤波提高半球谐振陀螺精度的方法,进行了半球谐振陀螺动态测角实验研究,并对半球谐振陀螺应用于月球车组合导航的可行性进行了仿真分析。 在半球谐振陀螺误差分析方面,本文从半球谐振陀螺的闭环检测原理出发,对半球谐振陀螺闭环检测误差进行了分析和推导,考虑了激励信号、转动速率、外界附加振荡、电极位置及极板面积和电容传感器等因素造成的陀螺误差并对误差补偿进行初步分析。论文采用Allan方差法对半球谐振陀螺的信号进行随机误差分析,分析结果表明,半球谐振陀螺的角度随机游走误差是陀螺随机误差的主要部分。论文还对陀螺信号进行了功率谱密度分析,分析结果表明陀螺的主要误差都集中在低频段。 在通过陀螺信号滤波提高半球谐振陀螺精度方面,本文引入了FLP滤波方法。FLP滤波方法是一种能有效地减少陀螺的角度随机误差的实时滤波方法。此外,本文还对陀螺信号进行了小波变换滤波和IIR数字滤波器滤波并对上述三种方法的滤波性能进行了对比分析。对比的结果表明,FLP滤波方法能有效地抑制高频噪声,并保留陀螺信号的有用的低频量。FLP滤波方法的另一优点是可以每次启动时进行随机建模,这就适用于每次启动时陀螺误差随机模型不同的情况。本文还对半球谐振陀螺测角实验数据进行了FLP滤波。滤波后发现,FLP滤波能够跟踪陀螺输出信号的变化。而且滤波后的测角精度高于滤波前。 在半球谐振陀螺应用于月球车组合导航的可行性方面,本文讨论了采用半球谐振陀螺的月球车定向定位系统,对基于Kalman滤波的月球车方向姿态递推算法进行了仿真。仿真结果表明,该算法适用于月球表面低速运动的月球车的定向定位。本文还把半球谐振陀螺实际数据引入该算法的仿真,仿真的结果表明,选择合适的阶数可以使FLP滤波后的欧拉角误差小于滤波前。