基于动态约束分析的激光陀螺惯性测量与姿态参考系统研究

【摘要】： 本文对动态条件下激光陀螺惯性测量与姿态参考系统进行了深入研究。论文以作者参加的一些重大科研项目为背景，包括： 1)激光陀螺列车轨道测量实验系统。 2)某火控系统的激光陀螺姿态参考系统。 3)某船载激光陀螺姿态参考系统的理论分析与实验研究。 文献分析表明，惯性测量与姿态参考系统的理论及应用研究主要集中在传感器信息综合方面。而在许多工程应用中，被测载体姿态变化的特征等动态约束也是一种可利用的信息。论文首次基于载体动态约束信息分析，提出了一系列有效的算法和技术方案。 作为新的信息源，论文分析了载体动态约束的两方面应用： 1)非完整惯性传感器惯性测量与姿态参考系统。 2)惯性测量与姿态参考系统中未知参数辨识。 论文分析了各种具体工程应用中具有共性的理论问题： 1、首次推导了非完整惯性传感器配置条件下，基于载体动态约束的激光陀螺惯性测量与姿态参考模型。分析了抖动偏频激光陀螺和四频差动激光陀螺的不同特点。 2、采用鲁棒分析方法，将激光陀螺惯性测量与姿态参考系统的时变非线性模型转化为误差状态的近似线性定常模型，从而使基于传递函数的频域分析成为可能，这对动态系统分析是至关重要的。 3、提出采用模型变换方法，减小系统模型的不确定性，从而减小鲁棒设计的保守性。推导了周期时变系统的鲁棒稳定性条件。 4、结合载体动态约束，提出了基于相关频谱分析的系统参数辨识方法，指出在时域分析模型中相当复杂的辨识问题，在频域分析模型中可具有简单的形式。 基于载体动态约束信息的理论分析为以下工程问题的进一步研究奠定了基础： 1、论文分析了列车轨道测量以及某火控系统姿态参考问题的不同特点，分别推导了相应的载体运动频域约束条件。通过频域分析，阐明了载体姿态运动频带宽度与动态测量精度的关系，对实际工程中惯性系统设计具有重要的指导作用。 2、讨论了载体经受振动、冲击和加速度的情况下，惯性测量组合参数现场标定的必要性和技术难点，提出了基于定轴转动约束的现场标定算法。 3、针对轨道动态检测系统，分析了选择不同的坐标投影及系统模型描述对系统性能的影响。提出了基于非完整惯性传感器配置系统的一种新的算法模型，该算法在列车过道岔弯道时仍具有较好的测量精度。 4、分析了舰载晃动基座条件下，杆臂效应的辨识补偿与动态水平姿态角测量问题。 5、对与实际研究项目有关的一些工程问题进行了讨论分析。提出捷联寻北系统中的矢量分析方法，简化了系统的综合误差分析。提出了基于轨道曲率特征的列车轨道测量点定位算法。讨论了激光陀螺抖动偏频解调与微小角速度检测问题。 通过实际工程实验，对所提出理论、算法进行了验证。 论文研究表明，利用载体动态约束信息可有效提高激光陀螺惯性测量与姿态参考系统性能。