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基于离心机的惯性仪表测试方法研究与误差分析

王世明  
【摘要】:精密离心机是一种重要的高过载条件下的惯导测试设备,它可以为惯性仪表提供充分的输入比力,特别是对于惯性仪表高阶项误差模型系数给予充分的激励,为精确标定惯性仪表误差模型系数打下基础,进而为提高惯导系统的精度做出贡献。但是离心机在标定惯性仪表过程中,离心机误差对于误差模型系数的标定精度存在影响,且这种影响相对某些高阶项误差模型系数的标定往往较大,因此,在研究应用离心机对惯性仪表标定的同时需要考虑离心机误差对于标定结果的影响。 本课题来源于哈尔滨工业大学空间控制与惯性技术研究中心为“137工程”自主研制的JML-1型大臂式精密离心机,其技术指标处于国际领先。在该离心机成功研制的基础上,在国内首次开展了陀螺加速度计离心机标定试验,成功分离了二次项以及交叉二次项系数。并在该设备上进行了惯性仪表的标定方法研究,主要研究陀螺加速度计,石英加速度计(含惯性组合中的加速度计)以及单自由度陀螺仪等的高阶项误差模型系数的标定方法,并分析各离心机误差对于误差模型系数标定精度的影响,从而为提高惯导系统的精度做出贡献。论文主要研究的内容如下: 以JML-I型离心机标定加速度计作为研究对象,针对JML-I型离心机各环节的误差源进行了分析,提出了研究离心机总不确定度的过程就是分析离心机误差并加以综合的观点,基于此全面分析了离心机在提供向心加速度过程中可能影响惯性仪表获得的输入比力的内、外部误差源,分别给出了各误差单独作用下对于加速度计输入加速度的影响。利用齐次变换将这些误差进行传递,得出了误差影响下实际作用于加速度计各轴的输入比力,为研究测试方法以及通过误差补偿提高惯性仪表标定精度打下基础。 研究了陀螺加速度计的二次项误差模型系数在JML-I型离心机上标定的方法和相关误差分析。以某型号陀螺加速度计离心机试验为背景,根据陀螺加速度计相关的动力学方程得出了完整的陀螺加速度计误差的标定模型,并且对此误差模型进行工程意义的逐项简化,分别推导出了包含离心机误差源的离心机单轴、双轴以及交叉二次项试验用误差模型。利用JML-I型离心机反转平台的两种工作模式分别对于陀螺加速度计K2项误差模型系数进行标定,并且进行误差补偿。通过重复性试验给出了标定结果,满足了标定精度,从而验证了测试方法的有效性。同时还讨论了陀螺加速度计交叉二次项系数的离心机标定方法,分析了交叉二次项误差模型系数的产生机理,根据含交叉二次项的陀螺加速度计误差模型的特点以及对于离心机误差的影响分析设计了测试方法,成功标定了加速度计的交叉二次项,根据与二次项系数标定精度的对比以及误差分析验证了该测试方法的有效性。 研究了石英加速度计在离心机上的标定方法,结合推导出的石英加速度计的误差模型以及离心机误差分析计算所得的加速度计各轴上精确的输入比力,在考虑离心机误差的情况下对于单一加速度计和惯性组合中的3个加速度计误差模型系数分别设计了标定方法,给出了相应的测试方法。应用仿真给出了标定结果验证了方法的有效性,同时结合给定的离心机误差项允差计算各误差项对于加速度计高次项系数标定误差的影响大小,为实际试验时进行误差补偿以提高标定精度打下基础。 研究了单自由度陀螺仪的静态误差模型系数在JML-I型离心机上的标定方法,选择反转平台同步反转的离心机工作方式,引入了安装轴并设计了陀螺仪的安装方式。在考虑离心机误差的情况下,设计了安装轴多位置测试法和双球面法综合的测试方法,给出了具体的标定陀螺仪静态误差模型系数的试验步骤,应用仿真试验成功标定了各误差模型系数,验证了该方法的有效性,为后续对于惯性组合的离心机标定打下了基础。


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