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光纤陀螺捷联惯导系统级标定方法的研究

作　者: 盛宏媛
导　师: 高伟
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 捷联惯导系统惯性组件卡尔曼滤波技术分立式标定系统级标定
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本课题旨在研究光纤陀螺捷联惯性导航系统的标定技术。标定技术主要分为分立式标定及系统级标定。捷联惯导系统的工作原理是利用直接与载体固联的惯性组件（陀螺仪和加速度计）来敏感载体的运动，结合一定初始信息，通过计算确定载体的位置及姿态信息。然而，作为一种自主式导航系统，捷联惯导系统在导航过程中会存在一些系统误差，不能依靠外界信息得到修正，最终系统的导航精度会受到影响。其中，最主要的误差源是惯性组件误差。所以，高精度的惯性测量组件是惯导系统导航精度的保证。本文主要研究的是如何通过标定技术来测量惯性组件的误差项，并在捷联惯导系统导航过程中对误差项进行补偿以提高系统整体导航精度。本文将首先介绍分立式标定技术的原理。分立式标定技术由于标定原理简单，误差建模灵活，成为现在应用最为广泛的实验室标定方法。然而，由于存在一些不可避免的客观因素，使分立式标定结果存在一定的误差，而这些误差将对导航结果产生许多不良的影响。本文将通过误差建模，详细的分析分立式标定产生的惯性组件误差对导航系统精度造成的影响，并进行仿真实验来验证理论推导的正确性。由于，分立式标定存在许多缺点，本文将着重研究一种以卡尔曼滤波为核心的，更为先进的标定技术——系统级标定技术。系统级标定的原理是根据陀螺仪和加速度计的输出值进行导航解算，并将解算结果与转台提供的载体真实值进行对比，得到系统的测量误差，将测量误差作为系统观测变量，惯性组件待标定的误差项作为状态变量，应用卡尔曼滤波器来对状态变量进行无偏估计。系统级标定技术可以准确的估计出惯性组件的所有误差项，以便于在导航过程中对惯导系统进行误差补偿。本课题在对所设计的系统级标定进行仿真验证之前，先对滤波器及所设计的标定路径进行了可观测性分析。分析结果显示，所设计的标定实验可以保证所有状态量均能得到有效估计。而后采用MATLAB对整个系统级标定过程进行仿真实验。仿真验证，所设计的滤波器及标定路径都是可行的，各状态变量的估计精度很高，收敛时间很短。最后，本文将进行分立式标定及系统级标定的转台实验，并将两组实验结果带入真实的导航数据中进行导航解算。通过对比解算结果证明，系统级标定无论是在标定精度还是在标定速度上都是一种更为先进的标定技术，也是未来标定技术发展的方向。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-20
  1.1 光纤陀螺原理及发展现状  11-12
    1.1.1 光纤陀螺原理及特点  11
    1.1.2 光纤陀螺发展及现状  11-12
  1.2 捷联惯导系统及其关键技术  12-15
    1.2.1 捷联惯导系统的特点及发展现状  12-14
    1.2.2 捷联惯导系统的关键技术  14-15
  1.3 标定的意义及发展现状  15-17
    1.3.1 标定的意义及分类  15-16
    1.3.2 标定的国内外发展状况  16-17
  1.4 KALMAN 滤波及其在标定技术中的应用  17
  1.5 论文安排及贡献  17-20
    1.5.1 论文的内容安排  17-18
    1.5.2 论文的主要贡献  18-20
第2章捷联惯导系统分立式标定方法研究  20-35
  2.1 捷联惯导组件性能指标及误差参数  20-23
  2.2 分立式标定误差模型  23-24
  2.3 捷联惯导系统分立式标定原理  24-33
    2.3.1 角增量实验原理  24-28
    2.3.2 位置实验原理  28-30
    2.3.3 零位误差修正实验原理  30-33
  2.4 分立式标定的特点  33
  2.5 本章小结  33-35
第3章标定误差对导航精度的影响  35-58
  3.1 捷联惯导系统常用坐标系  35-36
  3.2 捷联惯导系统误差方程  36-39
    3.2.1 捷联惯导系统工作原理  36-37
    3.2.2 捷联惯导系统误差方程  37-39
  3.3 标定误差对导航精度的影响  39-44
    3.3.1 陀螺标定误差对导航精度的影响  40-42
    3.3.2 加速度计标定误差对导航精度的影响  42-44
  3.4 标定误差对导航精度影响仿真分析  44-56
    3.4.1 陀螺标定误差对导航精度影响仿真分析  44-51
    3.4.2 加速度计标定误差对导航精度影响仿真分析  51-56
  3.5 本章小结  56-58
第4章捷联惯导组件系统级标定方法研究  58-79
  4.1 系统级标定原理  58-65
    4.1.1 Kalman 滤波基本方程  58-59
    4.1.2 误差模型的建立  59-61
    4.1.3 光纤陀螺滤波器设计  61-63
    4.1.4 加速度计滤波器设计  63-65
  4.2 标定路径设计  65-72
    4.2.1 PWCS 可观测性分析原理  65-66
    4.2.2 陀螺仪标定路径设计  66-69
    4.2.3 加速度计标定路径设计  69-72
  4.3 系统级标定仿真实验及分析  72-78
    4.3.1 陀螺滤波器的仿真实验  73-75
    4.3.2 加速度计滤波器仿真实验  75-77
    4.3.3 仿真分析  77-78
  4.4 本章小结  78-79
第5章分立式标定及系统级标定实验分析  79-88
  5.1 捷联惯导系统三轴转台分立式标定实验  79-81
  5.2 捷联惯导系统三轴转台系统级标定实验  81-84
    5.2.1 光纤陀螺的系统级标定实验  81-83
    5.2.2 加速度计的系统级标定实验  83-84
  5.3 标定结果对比实验及分析  84-87
  5.4 本章小结  87-88
结论  88-90
参考文献  90-94
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  94-95
致谢  95

光纤陀螺捷联惯导系统级标定方法的研究

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