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船用单轴旋转光纤陀螺捷联惯导初始对准/测漂及综合校正研究

作　者: 张鑫
导　师: 高伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 捷联惯导系统单轴旋转初始对准测漂综合校正
分类号: U666.123
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

从舰船用长航时高精度惯导系统的发展来看，光学陀螺捷联系替代机械陀螺平台系统已成为舰船用长航时高精度惯导系统发展趋势，为了在现有光学陀螺精度基础上进一步提高惯导系统的导航精度，并综合考虑惯导系统的整体结构和成本，单轴旋转惯导系统成为舰船惯导系统的重要发展方向。本文对单轴旋转光纤陀螺惯导系统的相关技术进行研究，并利用惯性测量单元（光纤陀螺和石英挠性加速度计）以及转位机构构成试验验证装置，对论文所提出的技术进行相关试验验证。论文的主要工作有：为了对后续相关技术方案设计提供理论依据，首先定义了旋转调制型捷联系统中的常用坐标系，并分析了单轴旋转惯性导航系统惯性敏感元件偏差的自补偿原理。给出了基于单轴四位置转停的惯导系统调制方案，分析了载体静止时四位置转停方案对惯性敏感元件误差补偿效果，以及尺寸效应和测角机构误差对惯导系统导航误差的影响。在此基础上深入分析了载体存在角运动时，四位置转停方案的调制效果，并进行仿真验证。以惯性测量单元以及转位机构构成试验验证装置，通过对比多种运动条件下四位置转停方案仿真和试验结果，验证所构建的试验验证装置的性能，结果表明该试验验证装置能满足后续相关技术的试验验证要求。为了缩短惯导系统初始对准时间，提出了单轴旋转惯导快对准算法。针对船用惯导系泊的环境特点，改进了传统惯性系对准中转换矩阵的求取方案，提出采用单轴转台辅助的水平调平+惯性系对准的新方法。在此基础上采用姿态逆向解算方法，进一步缩短对准时间。然后对所提出的对准方法进行了误差分析。然后进行了试验验证。以提高单轴旋转惯导系统导航精度为目的，根据四位置转停方案对惯性敏感元件误差补偿效果，以及初始对准误差对导航精度的影响，分析需要进行估算和补偿的惯性敏感元件误差项。利用初始对准的航向效应，通过单轴转位机构的转位辅助，提出惯导系统四位置测漂+罗经回路测漂方法。然后进行了试验分析。为保证惯导系统长期工作精度，在平台惯导系统综合校正方法的基础上，提出了基于OEPQ坐标系的捷联惯导系统两点校和三点校算法，分析了外观测信息精度对综合校正的影响。指出了基于OEPQ坐标系的捷联惯导系统综合校正算法实际使用的局限性。提出了基于惯性系的捷联惯导系统综合校正算法，该方法不需要限制舰船的机动方式和航行方式。在此基础上提出了单轴旋转惯导有方位信息的综合校正算法和无方位信息的综合校正算法，并完成试验验证。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题研究的目的和意义  11-12
  1.2 捷联惯导系统的发展与研究现状  12-14
  1.3 误差调制技术的发展现状  14-15
  1.4 初始对准技术/测漂研究现状  15-17
  1.5 捷联惯导综合校正研究现状  17-18
  1.6 论文的研究内容  18-19
第2章单轴旋转惯导系统误差分析  19-43
  2.1 相关坐标系的定义  19-20
  2.2 误差调制基本原理  20-21
  2.3 惯性敏感元件偏差的旋转自补偿原理  21-22
  2.4 静基座条件下单轴旋转系统四位置转停方案误差分析  22-35
    2.4.1 四位置转停方案概述  22-23
    2.4.2 惯性敏感元件的常值误差引起的导航误差  23-25
    2.4.3 惯性敏感元件的刻度因数误差引起的导航误差  25-28
    2.4.4 惯性敏感元件的安装误差  28-32
    2.4.5 尺寸效应误差  32-33
    2.4.6 旋转机构测角精度对旋转误差调制的影响  33-35
  2.5 载体角运动对旋转式惯导系统旋转调制效果的影响  35-42
    2.5.1 纵摇角运动对旋转式惯导系统旋转调制效果的影响  37-39
    2.5.2 横摇角运动对旋转式惯导系统旋转调制效果的影响  39-40
    2.5.3 方位角运动对旋转式惯导系统旋转调制效果的影响  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第3章单轴旋转惯导系统试验验证装置构建  43-56
  3.1 试验验证装置构建方案  43-47
    3.1.1 试验装置  43-47
    3.1.2 试验环境及步骤  47
  3.2 试验验证装置方案论证  47-55
    3.2.1 四位置转停调制方案仿真  47-51
    3.2.2 四位置转停调制方案试验  51-55
  3.3 本章小结  55-56
第4章单轴旋转惯导快速对准算法研究  56-85
  4.1 惯性系对准算法  56-66
    4.1.1 导航系解析式对准及其误差分析  56-57
    4.1.2 惯性系对准原理  57-59
    4.1.3 惯性系对准误差分析  59-66
  4.2 单轴旋转惯导系统快速对准  66-75
    4.2.1 水平调平算法  66-69
    4.2.2 惯性系对准的实现  69-70
    4.2.3 单轴旋转惯性系快速对准算法  70-71
    4.2.4 单轴旋转惯导系统快速对准误差分析  71-75
  4.3 单轴旋转惯导系统快速对准仿真试验  75-78
  4.4 单轴旋转惯导系统快速对准试验  78-84
    4.4.1 静态对准试验  78-80
    4.4.2 摇摆对准试验  80-82
    4.4.3 系泊对准试验  82-84
  4.5 本章小结  84-85
第5章惯性敏感元件测漂算法研究  85-107
  5.1 待测惯性敏感元件误差确定  85-87
    5.1.1 影响初始对准误差的惯性敏感元件误差项分析  85-86
    5.1.2 影响导航精度的惯性敏感元件误差项分析  86-87
  5.2 静基座四位置测漂算法  87-91
    5.2.1 静基座四位置测漂原理  87-90
    5.2.2 静基座四位置测漂方法局限性分析  90-91
  5.3 系泊条件四位置测漂方法  91-99
    5.3.1 姿态跟踪算法的引入  91-92
    5.3.2 姿态跟踪算法的选取  92-99
  5.4 z轴陀螺误差的估算  99-100
  5.5 惯性敏感元件测漂仿真试验  100
  5.6 测漂试验  100-106
    5.6.1 静态测漂试验  100-103
    5.6.2 摇摆测漂试验  103-105
    5.6.3 系泊测漂试验  105-106
  5.7 本章小结  106-107
第6章单轴旋转惯导系统综合校正研究  107-137
  6.1 平台式惯导系统两点校方法  107-111
    6.1.1 惯导系统误差与平台漂移角之间的关系推导  107-109
    6.1.2 平台漂移角与陀螺漂移关系推导  109-111
    6.1.3 平台惯导两点校算法  111
  6.2 基于 OEPQ 坐标系的捷联惯导系统两点校方法  111-113
  6.3 基于惯性坐标系的捷联惯导系统两点校方法  113-117
    6.3.1 惯性坐标系的捷联惯导系统两点校算法  113-116
    6.3.2 观测信息精度对惯性坐标系两点校算法精度影响  116-117
  6.4 基于惯性坐标系的捷联惯导系统三点校方法  117-121
  6.5 单轴旋转惯导系统综合校正技术  121-123
    6.5.1 有方位信息条件下的惯性系综合校正  121-123
    6.5.2 无方位信息的单轴旋转惯性系综合校正  123
  6.6 单轴旋转惯导系统综合校正仿真分析  123-128
  6.7 综合校正试验  128-136
    6.7.1 静态综合校正试验  128-132
    6.7.2 摇摆综合校正试验  132-134
    6.7.3 系泊及航行综合校正试验  134-136
  6.8 本章小结  136-137
结论  137-139
参考文献  139-148
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  148-149
致谢  149

船用单轴旋转光纤陀螺捷联惯导初始对准/测漂及综合校正研究

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