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半球谐振陀螺仪误差分析与测试技术

祁家毅  
【摘要】:半球谐振陀螺仪是一种极具发展前景的新型高精度哥氏振动陀螺仪,它是航空和航天飞行器捷联惯导系统中最有前景的敏感器件之一,它具有高精度、长寿命的特点,将在兵器、航空、航天等多种领域得到广泛应用,特别是在环境卫星、通信卫星、空间站、月球探测、太空天文望远镜和深空探测等空间应用中,它无疑是最佳的选择,并将具有广阔的应用前景。 本文分析了半球谐振陀螺的结构与优势,对半球谐振陀螺仪的国内外研究历史、研究现状和发展趋势进行了系统综述,介绍了其在空间任务中的应用实例,对陀螺仪的误差模型、辨识和标定方法进行了深入研究。 首先,以半球谐振子为研究对象,在基希霍夫-李雅夫假设条件下,利用曲面论的知识,通过对半球薄壳上中曲面上一点进行应变分析和应力分析,得出距离中曲面法向任意距离的任意点的应力;通过对应力积分,计算出所选取得薄壳单元的力和力矩,得到了三个力平衡方程,为半球谐振子的动力学分析打下了基础。 其次,利用求解微分方程的布勃诺夫-加廖尔金法和半球谐振子的力平衡方程,假设陀螺仪处于三维角速率和角加速度的力学环境下,得到了陀螺仪谐振子的动力学方程,并进一步推导出陀螺仪动态误差模型。在建立的动力学模型的基础上,分析了谐振子质量不均匀对输出精度的影响。针对陀螺仪处于线振动情况下,分析了谐振子质量不均匀对精度的影响。 然后,给出了对半球谐振陀螺仪的基本参数,包括标度因子、零位偏置、线性度、标度因子的对称度、阈值等进行测试的方法。设计了陀螺仪的静态误差模型的辨识方法,采用极轴翻滚法测试了半球谐振陀螺仪的与比力有关的静态误差模型系数。设计了采用单轴速率-双轴位置滚转法,即在三轴转台上采用外环轴以匀角速率运动、内环轴和中环轴处于位置状态来辨识陀螺仪与角速率有关的误差模型系数,并采用双球面布点的试验计划,即外环轴处于两个不同匀角速率来辨识误差模型系数,克服了单球面布点的信息矩阵的降秩问题。设计了双轴速率-单轴位置试验方法,即三轴转台的内环轴处于位置状态,外环轴和中环轴以匀角速率运动,来辨识陀螺仪动态误差模型系数的方法。设计了三轴速率试验方法,即三轴转台三轴同时处于匀角速率时,在内环轴将激励出交变的角速率和角加速度,可以作为陀螺仪的输入,再通过陀螺仪的输出可以辨识出动态误差模型系数。最后通过设计不同的中环和内环的速率比,选取了最优三轴速率试验计划。通过设计的这些方法,可以在三轴转台上实现陀螺仪各误差模型系数的序贯测试。 最后,针对半球谐振陀螺仪的随机噪声特性,对半球谐振陀螺仪的零漂进行了Allan方差分析,设计了不同陀螺同频率采样、同一陀螺变频率采样实验,并对原始数据进行了功率谱分析,再对原始数据分别进行IIR滤波和FIR滤波,然后进行功率谱分析,证明了用Allan方差法可以评定半球谐振陀螺仪的静态精度。分析了不同时期半球谐振陀螺的各项指标与性能,总结了其存在的不足,将半球谐振陀螺的Allan方差系数进行了对比,得出了国产半球谐振陀螺精度大幅度提高,但工艺还需要有较大的改进。


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