基于半球諧振陀螺儀的姿態(tài)測量系統(tǒng)研究.pdf

1、半球諧振陀螺以其精度高,穩(wěn)定性強(qiáng),可靠性高,抗沖擊性良好,抗輻射能力卓越以及壽命長的特點(diǎn),非常適合在空間飛行器等長時(shí)間工作場合使用。開展基于半球諧振陀螺的長壽命姿態(tài)測量系統(tǒng)的研制,將對我國空間技術(shù)的發(fā)展,特別是長壽命衛(wèi)星的工程實(shí)施,有著極其深遠(yuǎn)的意義。本文以研制基于半球諧振陀螺的高性能姿態(tài)測量系統(tǒng)為目的,針對制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。其中關(guān)鍵技術(shù)包括:半球諧振陀螺漂移機(jī)理及補(bǔ)償技術(shù)、慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)初始對準(zhǔn)技術(shù)、基于半球諧振

2、陀螺與星敏感器的組合姿態(tài)測量系統(tǒng)技術(shù)等。具體研究安排如下:
　　在慣性器件級層面,由于半球諧振陀螺的漂移是系統(tǒng)的最大誤差源,因此開展參數(shù)漂移的機(jī)理、建模和補(bǔ)償研究是提高系統(tǒng)性能的最有效手段。針對陀螺漂移,開展了兩種誤差源的研究:其一,研究了陀螺表頭結(jié)構(gòu)誤差對陀螺性能的影響。表頭結(jié)構(gòu)誤差主要通過影響振動(dòng)檢測系統(tǒng)及激勵(lì)系統(tǒng)而導(dǎo)致陀螺漂移,為此首先對拾振器結(jié)構(gòu)及電容間隙變化等問題深入研究,結(jié)合諧振子二階諧振狀態(tài)下形變的動(dòng)力學(xué)方程,建立了

3、半球諧振陀螺振動(dòng)檢測系統(tǒng)仿真模型。同時(shí),通過對多電極作用下諧振子的動(dòng)力學(xué)特性研究,以及對振幅控制系統(tǒng)與振型角控制系統(tǒng)的耦合分析,建立了半球諧振陀螺激勵(lì)系統(tǒng)仿真模型。然后將表頭結(jié)構(gòu)誤差引入到振動(dòng)檢測系統(tǒng)及激勵(lì)系統(tǒng)的仿真模型中。通過仿真研究,對表頭結(jié)構(gòu)誤差中的可標(biāo)定誤差提出了標(biāo)定補(bǔ)償方法,對不可標(biāo)定誤差給出了定量評估的模型,為表頭加工和裝配精度指標(biāo)的確定提供了理論依據(jù)。其二,研究了加速度作用下半球諧振陀螺的漂移機(jī)理。首先通過求解諧振子的動(dòng)力

4、學(xué)方程,給出了低頻加速度作用下諧振子變形的解析形式。其次完成了諧振子變形對半球諧振陀螺振動(dòng)檢測系統(tǒng)及激勵(lì)系統(tǒng)的影響分析,最終提出了一種能夠極大減小加速度對陀螺影響的振動(dòng)檢測方案與諧振子激勵(lì)方案。并建立了加速度導(dǎo)致陀螺漂移的靜態(tài)誤差模型,通過半球諧振陀螺在重力場中的翻滾試驗(yàn)給予了驗(yàn)證。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差的進(jìn)一步分析,給出了陀螺制造及裝配的改進(jìn)措施。
　　在慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)級層面,為提高系統(tǒng)初始對準(zhǔn)精度,縮短對準(zhǔn)時(shí)間,研究了大方位失準(zhǔn)

5、角靜基座初始對準(zhǔn)問題。提出了基于高斯-厄米特濾波器的初始對準(zhǔn)方法。針對高斯-厄米特濾波器中的均值和協(xié)方差陣的多元非線性高斯積分求解問題,利用初始對準(zhǔn)誤差方程的非線性是由大方位失準(zhǔn)角導(dǎo)致的特點(diǎn),將高維積分轉(zhuǎn)化成一元數(shù)值積分,在不損失精度前提下,解決了高斯-厄米特濾波器在對準(zhǔn)應(yīng)用的“維數(shù)災(zāi)難”問題。將此算法用于實(shí)際系統(tǒng),對比于擴(kuò)展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波方法,結(jié)果表明在大方位失準(zhǔn)角條件下,提高了對準(zhǔn)精度,縮短了對準(zhǔn)時(shí)間。
　　在組合

6、系統(tǒng)級層面,研制了基于半球諧振陀螺與星敏感器的組合姿態(tài)測量系統(tǒng)。為解決當(dāng)觀測到的導(dǎo)航星數(shù)量小于3顆時(shí)松組合系統(tǒng)無法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的問題,提出了基于慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)的快速星圖識(shí)別方法,給出了基于HRG與星敏感器緊組合姿態(tài)測量系統(tǒng)的構(gòu)建形式和濾波方法。最后系統(tǒng)測試表明,緊組合系統(tǒng)使得上述問題得到了較好的解決,增加了組合系統(tǒng)的全天域適應(yīng)性。
　　最終,將上述的一系列技術(shù)措施應(yīng)用于課題所研制的基于半球諧振陀螺的姿態(tài)測量系統(tǒng)工程樣機(jī)中,并通過