無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)加速計構型研究與誤差分析.pdf

1、目前,抑制無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)(Gyro-Free Strap-down Inertial Navigation System,GFSINS)應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中加速度計空間構型的安裝誤差,而目前所有的加速度計構型方案都屬于立體式的坐標軸構型模式,該模式優(yōu)點是構型方案的設計過程簡單,然而其不便于實際工程實現(xiàn),容易造成較大的安裝誤差,降低了GFSINS的精度并影響其應用前景。本文從盡

2、可能減小構型安裝誤差角度出發(fā),在總結以往研究成果的基礎上,提出了一種將所有加速度計安裝在一個平面基座內的加速度計平面式構型方案,并對該構型方案展開研究,主要包括以下幾方面內容。
　　 1.無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)導航原理論述。介紹慣導系統(tǒng)常用坐標系,并推導GFSINS載體上任意一點加速度計輸出表達式,并據(jù)此導出基于多個線加速度計的載體線運動和角運動測量原理。推導判定GFSINS加速度計構型方案的可行性判據(jù)和完整的GFSINS導航方程。

3、
　　 2.無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)加速度計平面式構型方案研究
　　 從盡可能減小GFSINS加速度計安裝誤差角度出發(fā)提出一種針對彈體類載體的平面式加速度計構型方案并針對其展開深入分析和討論。根據(jù)平面式構型方案中加速度計安裝特點,將加速度計分為“垂直加速度計”和“平行加速度計”兩類,并根據(jù)載體上加速度計輸出表達式分析兩類加速度計各自的測量特性。結合GFSINS加速度計構型方案可行性判據(jù)與兩類加速度計測量特性,分析平面式構型中滿

4、足構型可行性判據(jù)的加速度計選擇要求,即“系統(tǒng)加速度計”的選擇方案。從提高角速度解算精度出發(fā),并結合兩類加速度計測量特性,分析平面式構型中“觀測加速度計”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,分析平面式構型方案中冗余加速度計的選擇要求,并從盡量減少加速度計數(shù)量的角度考慮,提出了一種重復利用觀測加速度計并采用軟件實現(xiàn)的“軟余度”方案。根據(jù)上述分析結果,提出了一種十二加速度計平面式構型,并進行了合理性分析。結合傳統(tǒng)捷聯(lián)慣

5、導系統(tǒng)中設計慣性元件冗余方案時采用的代價函數(shù),分析該構型中各類加速度計故障情況下的冗余方案。最后以各加速度計均處于正常工作狀態(tài)為例,導出該構型方案中的載體質心比力和角速度解算模型。
　　 3無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)角速度非線性估計。根據(jù)角速度解算模型,推導出離散的角速度非線性估計方程,并根據(jù)其噪聲相關性,變形得到噪聲無關的角速度估計模型。為應對擴展kalman估計器在使用過程中對系統(tǒng)模型和噪聲統(tǒng)計特性敏感,容易出現(xiàn)發(fā)故的情況,將自適應

6、強跟蹤kalman濾波器引入到角速度估計過程,以應對各種未知誤差。并通過仿真試驗驗證算法的有效性。
　　 4無陀螺捷聯(lián)慣導系統(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)慣導系統(tǒng)的誤差源。參考有陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)誤差方程,推導出完整的GFSINS誤差方程。分析GFSINS中兩種最主要的誤差源——無陀螺慣性單元加速度計測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,比較分析加速度計測量誤差和安

7、裝誤差在GFSINS中的誤差影響。
　　 5無陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)誤差標定與補償
　　 根據(jù)GFSINS加速度計測量誤差和安裝誤差級別的不同,制定出先標定加速度計測量誤差,再標定加速度計安裝誤差的標定流程,最后研究利用誤差系數(shù)的實時誤差補償算法。參考相關慣性器件測試與標定文獻,首先利用重力場靜態(tài)翻滾法對加速度計的靜態(tài)模型進行標定測試,然后在此基礎上利用三軸轉臺來測試其動態(tài)誤差模型。在標定出加速度計靜動態(tài)模型基礎上,根據(jù)加速度

8、計安裝誤差中敏感方向誤差和位置誤差的特點,首先采用重力場靜態(tài)翻滾標定加速度計敏感方向誤差,針對前文的十二加速度計平面式構型,設計了重力場內兩個位置翻滾方案,即可完全標定出該構型方案中所有加速度計的敏感方向誤差。在標定出各加速度計敏感方向誤差的基礎上,設計了水平面的傾角轉臺試驗來激發(fā)出加速度計的安裝位置誤差,針對十二加速度計方案的安裝特點,采用三種安放位置三個傾角的轉臺旋轉試驗來標定出該構型方案中所有加速度計的位置誤差。根據(jù)該兩類誤差作用