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半球谐振陀螺星载惯性姿态测量系统研究

作　者: 谢阳光
导　师: 伊国兴
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 捷联式惯性导航系统半球谐振陀螺标定初始对准
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 68次
引　用: 1次
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内容摘要

捷联式惯性导航系统以固连在载体上的陀螺组件与加速度组件为敏感元件,利用载体上的导航计算机解算出当前的位置、姿态信息。捷联式惯性导航系统以其可靠性高、体积小、重量轻,成本低的特点正逐步取代平台式惯导系统。特别是近年来无转子陀螺的迅猛发展,更加突出了捷联方案的优势。作为新型陀螺——半球谐振陀螺,与环形激光陀螺、光纤陀螺相比,在相同的精度、可靠性和寿命要求下,其成本更具有竞争性。本文以星载惯性测量系统的研制为背景,采用半球谐振陀螺、石英加速度计为惯性敏感元件。研究捷联惯性器件的余度技术、基于半球谐振陀螺的导航系统的硬件及软件实现、器件级和系统级标定、捷联惯导系统的初始对准技术。首先,研究了捷联惯性器件的余度技术。余度技术是提高捷联惯导系统可靠性的重要方法,本文以4余度配置为例实现惯性器件的最优配置;完成余度配置故障检测。然后,完成了有冗余和无冗余两套捷联惯性导航系统的硬件及软件设计。根据星载姿态测量系统工作环境以及半球谐振陀螺和石英加速度计的结构特点,设计了系统支撑壳体;从体积要求、运算速度要求、开发周期要求出发,选择基于PC/104的A/D数据采集卡与CPU主板作为系统的硬件部分;依据对惯性器件输出信号的处理流程,逐步实现了信号滤波,对惯性器件进行器件级标定,建立了系统级安装误差模型,并对捷联惯导系统进行了系统级标定,实现了导航算法,最终对样机进行了静态测试,对比了冗余捷联惯性导航系统和无冗余捷联惯性导航系统精度。最后研究了捷联惯导系统的初始对准技术。通过对粗对准的测试结果分析,选择了EKF方式实现精对准,并且精度达到了预期效果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  9-10
  1.2 半球谐振陀螺技术概述  10-13
    1.2.1 半球谐振陀螺与其它陀螺的比较  11-12
    1.2.2 半球谐振陀螺用于导航系统的进展情况  12-13
  1.3 本文主要研究内容  13-15
第2章捷联惯性器件的余度技术  15-24
  2.1 引言  15
  2.2 惯性器件的配置  15-18
    2.2.1 测量模型  16
    2.2.2 优化分析  16-17
    2.2.3 可靠性分析  17-18
  2.3 余度惯性器件的性能管理  18-23
    2.3.1 奇偶向量的定义  18-19
    2.3.2 故障检测与识别函数的构造  19-20
    2.3.3 故障检测门限确定与性能评估  20-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章捷联惯导系统设计及性能测试  24-51
  3.1 引言  24
  3.2 捷联系统硬件设计  24-29
    3.2.1 机械结构设计  24-27
    3.2.2 捷联解算模块设计  27-29
  3.3 陀螺输出信号滤波  29-31
    3.3.1 A/D 采样与初级滤波实现  29
    3.3.2 次级数字滤波  29-31
  3.4 器件级标定  31-34
    3.4.1 半球谐振陀螺标定  31-33
    3.4.2 加速度计的标定  33-34
  3.5 系统级标定  34-45
    3.5.1 冗余系统误差模型  34-37
    3.5.2 无冗余系统误差模型  37-39
    3.5.3 误差模型的辨识  39-45
  3.6 捷联系统软件实现及静态测试  45-49
    3.6.1 捷联解算  45-46
    3.6.2 捷联惯导系统静态测试  46-49
  3.7 本章小结  49-51
第4章捷联惯导系统的初始对准  51-64
  4.1 引言  51
  4.2 初始对准的误差传播方程  51-58
    4.2.1 导航常用坐标系定义  51-52
    4.2.2 速度误差方程  52-53
    4.2.3 姿态误差方程  53-55
    4.2.4 静基座初始对准的误差模型  55-56
    4.2.5 解析式粗对准  56-58
  4.3 Kalman 滤波精对准  58-63
    4.3.1 EKF 原理  58-61
    4.3.2 性能测试  61-63
  4.4 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-70
致谢  70

半球谐振陀螺星载惯性姿态测量系统研究

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