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四频激光陀螺旋转式惯导系统研究

袁保伦  
【摘要】: 当前国际上的高精度激光陀螺惯导系统,普遍采用了旋转自动补偿技术,以此在系统成本增加有限的情况下大幅度地提高惯导系统的精度。本文即是从理论和工程实现两个方面对光学陀螺惯导系统中的旋转自动补偿技术及其它关键技术进行了研究,最终设计完成了一套四频激光陀螺旋转式惯导系统双轴原理样机,并进行了相关导航试验。本文的研究可以分为五个部分: (1)旋转式惯导系统自动补偿原理的理论研究。在分析了旋转式惯导系统自动补偿漂移误差的本质后,对旋转式惯导系统中的补偿方式、转轴位置、转动周期等一般性问题进行了讨论和总结,并由此提出了研究旋转式惯导系统中惯性元件误差效应的方法。根据提出的研究旋转式系统中惯性元件误差效应的方法,研究了旋转式系统中标度因数误差、安装误差、加速度计二阶非线性误差的自动补偿情况,同时对自动补偿这些误差的条件和方式进行了分析,并讨论了转位运动引起的锯齿形速度误差和加速度计组件尺寸效应。 (2)旋转式惯导系统的转位方案研究。根据对单轴旋转式系统的分析,总结和提出了多种单轴转位方案,包括隔离载体航向变化的单轴转位方案及不隔离载体航向变化的两位置单轴转位方案等,并着重对四位置单轴转位方案及在其基础上改进后的方案进行了分析,为单轴旋转式系统转位方案的设计提供了参考。在静电陀螺平台翻滚方案的基础之上,提出了旋转式系统的八次序双轴转位方案,并进一步提出了十六次序双轴转位方案,然后对其进行了导航仿真和深入研究,指出此十六次序双轴转位方案是一种合理和实用的转位方案,它不但能够自动补偿惯导系统中全部惯性元件的常值漂移误差、安装误差、标度因数不对称性误差,还能够部分抵消均匀恒定磁场引起的四频激光陀螺IMU漂移误差。 (3)四频激光陀螺旋转式惯导系统双轴原理样机的软硬件设计。在提出了原理样机的总体结构方案和转动控制方案的基础之上,完成了多方面的硬件工作,主要有:进行了系统主要元器件的选型:设计并实现了原理样机的机械结构(包括惯性测量本体、轴系、框架及基座等);设计并实现了直流力矩电机的驱动与控制电路等。为了配合原理样机的硬件部分,在软件方面设计了导航软件(包括电机控制、初始对准、导航解算等功能)、惯导系统综合测试软件、电机驱动的单片机程序、四频陀螺的扫模与稳频程序等,最终完成了原理样机的研制。 (4)惯导系统的标定及初始对准技术研究。在对激光陀螺惯性测量组合的标定模型、标定精度等进行了分析和总结后,提出了一种基于方程解算的激光陀螺IMU标定方法,并结合实际条件,对所研制的原理样机进行了可倾式速率位置转台上的标定试验和加速度计二阶非线性系数及磁场引起四频陀螺漂移的补偿。在分析了旋转式惯导系统的实际需要后,提出了一种大方位失准角度下的初始对准方案,可以使任意大小的方位失准角度正确收敛到零;并提出了分阶段多级循环执行的卡尔曼滤波对准测漂方法,能够使卡尔曼滤波对准时的误差参量被正确的估算和修正:最后将所提出的大方位失准角下的对准方案和分阶段多级卡尔曼对准测漂方法应用到了实际原理样机的初始对准方案中。 (5)旋转式系统双轴原理样机的导航试验。对所研制的原理样机进行了24小时的双轴、单轴、静止三种类型的导航试验,然后对试验结果进行了精度分析,对试验系统进行了的误差分析和仿真模拟,并指出了当前原理样机的主要误差因素和需要改进的方向。同时原理样机的导航试验也验证了各项研究与实现方法的正确性,表明了旋转自动补偿技术不但能够克服惯导系统中激光陀螺及加速度计的漂移,而且是提高系统导航精度的一个有效途径。 本文理论方面的创新有:分析了旋转式惯导系统中的各种误差效应,并推导了相应公式;提出了实用的单轴和双轴转位方案,并进行了误差分析:提出了惯导系统中新的标定方法和新的初始对准方法等。本文理论上的创新可以作为实际旋转式惯导系统的设计参考,双轴原理样机的研制,也为进一步发展更高精度的四频激光陀螺双轴旋转式惯导系统积累了技术经验。


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