無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速計(jì)構(gòu)型研究與誤差分析.pdf

1、目前,抑制無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(Gyro-Free Strap-down Inertial Navigation System,GFSINS)應(yīng)用最主要的難題是角速度的精度較低,而影響角速度精度的最大因素是GFSINS中加速度計(jì)空間構(gòu)型的安裝誤差,而目前所有的加速度計(jì)構(gòu)型方案都屬于立體式的坐標(biāo)軸構(gòu)型模式,該模式優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)型方案的設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單,然而其不便于實(shí)際工程實(shí)現(xiàn),容易造成較大的安裝誤差,降低了GFSINS的精度并影響其應(yīng)用前景。本文從盡

2、可能減小構(gòu)型安裝誤差角度出發(fā),在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上,提出了一種將所有加速度計(jì)安裝在一個(gè)平面基座內(nèi)的加速度計(jì)平面式構(gòu)型方案,并對(duì)該構(gòu)型方案展開(kāi)研究,主要包括以下幾方面內(nèi)容。
　　 1.無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航原理論述。介紹慣導(dǎo)系統(tǒng)常用坐標(biāo)系,并推導(dǎo)GFSINS載體上任意一點(diǎn)加速度計(jì)輸出表達(dá)式,并據(jù)此導(dǎo)出基于多個(gè)線加速度計(jì)的載體線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)測(cè)量原理。推導(dǎo)判定GFSINS加速度計(jì)構(gòu)型方案的可行性判據(jù)和完整的GFSINS導(dǎo)航方程。

3、
　　 2.無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)加速度計(jì)平面式構(gòu)型方案研究
　　 從盡可能減小GFSINS加速度計(jì)安裝誤差角度出發(fā)提出一種針對(duì)彈體類載體的平面式加速度計(jì)構(gòu)型方案并針對(duì)其展開(kāi)深入分析和討論。根據(jù)平面式構(gòu)型方案中加速度計(jì)安裝特點(diǎn),將加速度計(jì)分為“垂直加速度計(jì)”和“平行加速度計(jì)”兩類,并根據(jù)載體上加速度計(jì)輸出表達(dá)式分析兩類加速度計(jì)各自的測(cè)量特性。結(jié)合GFSINS加速度計(jì)構(gòu)型方案可行性判據(jù)與兩類加速度計(jì)測(cè)量特性,分析平面式構(gòu)型中滿

4、足構(gòu)型可行性判據(jù)的加速度計(jì)選擇要求,即“系統(tǒng)加速度計(jì)”的選擇方案。從提高角速度解算精度出發(fā),并結(jié)合兩類加速度計(jì)測(cè)量特性,分析平面式構(gòu)型中“觀測(cè)加速度計(jì)”的選擇要求。從提高系統(tǒng)冗余度考慮,根據(jù)慣性元件故障診斷理論,分析平面式構(gòu)型方案中冗余加速度計(jì)的選擇要求,并從盡量減少加速度計(jì)數(shù)量的角度考慮,提出了一種重復(fù)利用觀測(cè)加速度計(jì)并采用軟件實(shí)現(xiàn)的“軟余度”方案。根據(jù)上述分析結(jié)果,提出了一種十二加速度計(jì)平面式構(gòu)型,并進(jìn)行了合理性分析。結(jié)合傳統(tǒng)捷聯(lián)慣

5、導(dǎo)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)慣性元件冗余方案時(shí)采用的代價(jià)函數(shù),分析該構(gòu)型中各類加速度計(jì)故障情況下的冗余方案。最后以各加速度計(jì)均處于正常工作狀態(tài)為例,導(dǎo)出該構(gòu)型方案中的載體質(zhì)心比力和角速度解算模型。
　　 3無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)角速度非線性估計(jì)。根據(jù)角速度解算模型,推導(dǎo)出離散的角速度非線性估計(jì)方程,并根據(jù)其噪聲相關(guān)性,變形得到噪聲無(wú)關(guān)的角速度估計(jì)模型。為應(yīng)對(duì)擴(kuò)展kalman估計(jì)器在使用過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)模型和噪聲統(tǒng)計(jì)特性敏感,容易出現(xiàn)發(fā)故的情況,將自適應(yīng)

6、強(qiáng)跟蹤kalman濾波器引入到角速度估計(jì)過(guò)程,以應(yīng)對(duì)各種未知誤差。并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證算法的有效性。
　　 4無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差分析。分析了GFSINS中的各類誤差源,并特別比較了其不同于有陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差源。參考有陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差方程,推導(dǎo)出完整的GFSINS誤差方程。分析GFSINS中兩種最主要的誤差源——無(wú)陀螺慣性單元加速度計(jì)測(cè)量誤差和安裝誤差的誤差模型,并采用前文的角速度仿真模型,比較分析加速度計(jì)測(cè)量誤差和安

7、裝誤差在GFSINS中的誤差影響。
　　 5無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差標(biāo)定與補(bǔ)償
　　 根據(jù)GFSINS加速度計(jì)測(cè)量誤差和安裝誤差級(jí)別的不同,制定出先標(biāo)定加速度計(jì)測(cè)量誤差,再標(biāo)定加速度計(jì)安裝誤差的標(biāo)定流程,最后研究利用誤差系數(shù)的實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償算法。參考相關(guān)慣性器件測(cè)試與標(biāo)定文獻(xiàn),首先利用重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾法對(duì)加速度計(jì)的靜態(tài)模型進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試,然后在此基礎(chǔ)上利用三軸轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)測(cè)試其動(dòng)態(tài)誤差模型。在標(biāo)定出加速度計(jì)靜動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)上,根據(jù)加速度

8、計(jì)安裝誤差中敏感方向誤差和位置誤差的特點(diǎn),首先采用重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾標(biāo)定加速度計(jì)敏感方向誤差,針對(duì)前文的十二加速度計(jì)平面式構(gòu)型,設(shè)計(jì)了重力場(chǎng)內(nèi)兩個(gè)位置翻滾方案,即可完全標(biāo)定出該構(gòu)型方案中所有加速度計(jì)的敏感方向誤差。在標(biāo)定出各加速度計(jì)敏感方向誤差的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了水平面的傾角轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)來(lái)激發(fā)出加速度計(jì)的安裝位置誤差,針對(duì)十二加速度計(jì)方案的安裝特點(diǎn),采用三種安放位置三個(gè)傾角的轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)來(lái)標(biāo)定出該構(gòu)型方案中所有加速度計(jì)的位置誤差。根據(jù)該兩類誤差作用