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单轴旋转光纤捷联惯导系统的误差建模与补偿

聂梦馨  
【摘要】:随着旋转调制技术近年来在光纤惯导系统中的逐步应用,旋转光纤捷联惯导系统逐渐成为导航领域的研究热点。为了提高单轴旋转光纤捷联惯导系统的导航性能,论文针对单轴旋转光纤捷联惯导系统在应用中存在的误差体系评价、误差补偿方法及初始对准方案等展开了深入的分析和研究工作,对光纤旋转惯导系统的应用和推广具有较好的参考价值。论文首先针对惯性器件的误差特性进行了深入分析。光纤陀螺作为单轴旋转光纤捷联惯导系统中的核心传感器,其输出误差直接影响系统的导航性能。由于光纤陀螺的确定性误差特性明确,而随机误差特性较为复杂,因此本文对光纤陀螺随机误差特性进行了深入分析。通过对光纤陀螺随机误差特性评价方法的分析,得出Allan方差分析法中的传统随机误差拟合方法存在较大误差。针对此问题,设计了一种基于模型辨识的Allan方差拟合方法。首先辨识陀螺随机误差模型,然后根据所建模型拟合计算各项随机误差系数,提高了光纤陀螺随机误差分析的精度,为惯性元器件随机误差补偿提供了基础。为了进一步提高单轴旋转光纤捷联惯导系统的精度,对系统误差特性进行了深入分析。推导了旋转惯导系统误差传播方程,分析了单轴旋转对惯性测量组件各项确定性误差的调制效果,并通过仿真验证了理论分析的正确性。通过分析,单轴旋转不能完全调制所有惯性元器件的确定性误差,因此标定方案的精度直接影响了系统的定位精度。因此,考虑到影响标定的主要因素,论文针对标定转台设备在长时间使用中累积产生误差的情况下设计了一种更适用的IMU标定方案。建立了含有转台水平失准误差的标定模型,并将其中的标度因数误差模型由常值细化为多项式,同时考虑到惯性元器件随时间发散的误差特性,设计了一套新的标定流程和方案。经实验验证新标定方案有效提高了标定精度。初始对准是惯导系统中必不可少的步骤,初始对准的误差直接随时间累积在导航定位误差中。为了降低初始对准误差,并充分利用单轴旋转惯导系统的优势,采用了两位置转停粗对准方案。由于旋转惯导系统中转动机构的引入,导致在初始对准过程中引入了转台转位误差。因此,论文建立了转位误差扩维的非线性初始对准误差状态方程,设计了一种基于转动误差扩维的UKF精对准方案。仿真验证表明,论文设计的新初始对准方案加快了各项姿态角误差收敛速度并有效提高了系统的初始对准精度。最后,设计实现了一种单轴旋转光纤捷联惯导系统原理验证样机,并基于所建样机进行了大量标定、导航实验,验证了以上误差标定、补偿方案的有效性。通过1小时静基座导航实验验证了转停调制后导航定位精度比传统捷联惯导提高了一个数量级,为旋转光纤捷联惯导系统的应用推广和性能改善提供了参考。


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