基于激光捷聯(lián)慣導(dǎo)的實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)研究.pdf

1、動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)可以在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)自主測(cè)量載體姿態(tài)角，是武器控制系統(tǒng)、航空測(cè)繪、數(shù)字城市以及載體姿態(tài)多傳感器數(shù)據(jù)融合的核心技術(shù)之一。本文基于激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究了一種適于外場(chǎng)作業(yè)使用的實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，從激光陀螺信號(hào)特性分析、信號(hào)處理、圓錐誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、晃動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)以及相位滯后補(bǔ)償與時(shí)間同步等方面，改善了動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量精度，給出了最終鑒定試驗(yàn)結(jié)果。全文具體工作如下：
　　(1)指出 Allan方差分析激光捷聯(lián)慣

2、性導(dǎo)航系統(tǒng)中激光陀螺信號(hào)特性的不足，采用小波分解的方法，分析了導(dǎo)航頻率下激光陀螺輸出數(shù)據(jù)的噪聲特性。提出激光陀螺在導(dǎo)航頻率下的噪聲不是通常認(rèn)為的角隨機(jī)游走，而是分形噪聲，且噪聲特性與采樣頻率密切相關(guān)。在導(dǎo)航頻率下，高精度激光陀螺的噪聲表現(xiàn)為一種不穩(wěn)定性噪聲。中精度激光陀螺的噪聲表現(xiàn)為角速率隨機(jī)游走。為了進(jìn)一步抑制抖動(dòng)頻率帶來(lái)的干擾，本文提出了一種多凹點(diǎn)有限沖擊響應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)方法，將三個(gè)凹陷點(diǎn)同時(shí)對(duì)準(zhǔn)三個(gè)抖動(dòng)頻率，得到一個(gè)24階濾波器，其

3、濾波效果優(yōu)于原濾波器，達(dá)到40階濾波器效果。通過(guò)提高激光陀螺采樣頻率和譜分析，指出目前國(guó)內(nèi)普遍使用的2000 Hz采樣頻率并不合理，激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在該采樣頻率下工作會(huì)造成3倍頻和5倍頻信號(hào)混疊，把干擾信號(hào)引入基頻帶，影響系統(tǒng)精度，在此基礎(chǔ)上，給出更合理的采樣頻率應(yīng)大于4500 Hz。
　　(2)為了減小圓錐誤差，采用雙軸搖擺試驗(yàn)，對(duì)比了四元數(shù)、最優(yōu)雙子樣、利用前一姿態(tài)更新周期一個(gè)采樣結(jié)果的雙子樣算法，以及利用前一姿態(tài)更新周期

4、兩個(gè)采樣結(jié)果的雙子樣算法等四種姿態(tài)更新算法結(jié)果。指出并不是子樣信息越多，姿態(tài)精度越高，姿態(tài)更新算法選擇應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定。在此基礎(chǔ)上將導(dǎo)航解算頻率從原來(lái)的200 Hz提高到2000 Hz，通過(guò)7°，0.5 Hz，10 min三軸搖擺試驗(yàn)驗(yàn)證，圓錐運(yùn)動(dòng)姿態(tài)漂移下降到0.01°左右。
　　(3)本文提出了一種溫度控制與溫度補(bǔ)償相結(jié)合的新方法，使用金屬和膠木復(fù)合隔熱墊，對(duì)加速度計(jì)實(shí)施溫度控制；對(duì)激光陀螺偏置進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在標(biāo)定激光陀螺偏

5、置與溫度的函數(shù)關(guān)系時(shí)，沒有采用常規(guī)定點(diǎn)溫度標(biāo)定方法，而是提出一種緩慢升溫連續(xù)標(biāo)定的新方法，將溫度補(bǔ)償試驗(yàn)過(guò)程縮短到幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)，使得溫補(bǔ)效率提高3~5倍。試驗(yàn)結(jié)果表明：在-40℃～+60℃大溫度范圍內(nèi)，溫控與溫補(bǔ)相結(jié)合的方案僅需15 min的預(yù)熱時(shí)間，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單獨(dú)溫度控制方案預(yù)熱時(shí)間。標(biāo)定時(shí)，僅使用單軸溫控轉(zhuǎn)臺(tái)就可以完成溫度補(bǔ)償，降低了激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)后期維護(hù)設(shè)備費(fèi)用。
　　(4)針對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)晃動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，分析了

6、現(xiàn)有對(duì)準(zhǔn)算法的不足，提出了基于姿態(tài)跟蹤思想的晃動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)方法，把載體晃動(dòng)引起的姿態(tài)變化作為有用信號(hào)來(lái)跟蹤，而不是濾除?；谠撍枷耄岢隽?種晃動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)算法，它們分別是：強(qiáng)跟蹤平方根無(wú)跡Kalman濾波、4階量測(cè)Kalman濾波和優(yōu)化極點(diǎn)的羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，這三種算法都可以完成晃動(dòng)基座的初始對(duì)準(zhǔn)，其中強(qiáng)跟蹤平方根無(wú)跡 Kalman跟蹤性能最強(qiáng)，羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)跟蹤能力最弱?；蝿?dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和跑車數(shù)據(jù)均表明，4階量測(cè)Kalman

7、濾波和優(yōu)化極點(diǎn)的羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)可以在180 s內(nèi)完成全部對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，對(duì)準(zhǔn)精度可以滿足工程實(shí)用要求。
　　(5)在分析幾種常見羅經(jīng)極點(diǎn)配置方案及其對(duì)準(zhǔn)性能基礎(chǔ)上，將一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)和一個(gè)臨界阻尼環(huán)節(jié)相串聯(lián)，把4個(gè)極點(diǎn)配置在同一個(gè)圓上，得到一種新的極點(diǎn)配置方案。采用車載晃動(dòng)對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和風(fēng)擾條件的車載導(dǎo)航數(shù)據(jù)，比較了不同極點(diǎn)配置的對(duì)準(zhǔn)效果。試驗(yàn)說(shuō)明，新的極點(diǎn)配置方案可以跟蹤載體低頻姿態(tài)角波動(dòng)，在180 s內(nèi)完成激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。通過(guò)相

8、平面分析，指出羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)具有大失準(zhǔn)角對(duì)準(zhǔn)功能。車載試驗(yàn)證明，羅經(jīng)對(duì)準(zhǔn)可以在180°大失準(zhǔn)角情況下，不經(jīng)過(guò)粗對(duì)準(zhǔn)直接進(jìn)入精對(duì)準(zhǔn)，并在300 s內(nèi)完成對(duì)準(zhǔn)過(guò)程；
　　(6)分析了動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在時(shí)間對(duì)準(zhǔn)和時(shí)間同步上的特殊要求，推導(dǎo)了相位滯后導(dǎo)致的姿態(tài)測(cè)量誤差計(jì)算公式。指出造成動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)輸出相位滯后的主要原因是數(shù)字濾波器和零階保持器，并確定了動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)時(shí)間滯后量。提出了一種通用實(shí)時(shí)相位滯后補(bǔ)償方案，采用復(fù)雜可編程邏輯器