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用于光纤矢量水听器的光纤陀螺姿态测量系统研究

作　者: 肖虎
导　师: 杨华勇
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤陀螺捷联系统标定算法误差分析静态实验动态实验
分类号: U666.163
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 64次
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内容摘要

姿态修正是光纤矢量水听器工程应用的一个重要问题。矢量水听器工作时受环境影响发生姿态变化,而目标测向要求矢量水听器拾取的振速矢量能保持在一个固定坐标系中。通过姿态传感器测量水听器的姿态角变化,并经过坐标系变换可将振速矢量转换到固定坐标系中,从而实现修正测向。针对现有姿态传感器采样率低、不适用于动态环境的实际问题,结合实验室光纤陀螺方面的研究,对实验室自制的一套开环光纤陀螺捷联系统进行了优化。首先对光纤陀螺进行了标定和测试,得到了其性能指标。在此基础上设计了相关实验,标定出了系统的安装误差和零偏。针对开环光纤陀螺精度低,不能实现自对准的问题,采用了电子罗盘提供初始姿态基准。电子罗盘安装在系统中后,受系统电源干扰,输出严重失真。为解决这一问题,根据电子罗盘受不同类型干扰时输出特性变化,采用了椭圆拟合的方法,计算出了干扰系数,补偿后电子罗盘的精度达到了使用的要求。运用水平旋转寻北的方法计算出了电子罗盘敏感轴与陀螺敏感轴的安装误差角。捷联惯导算法的设计多以陀螺输出角增量为前提,而光纤陀螺直接输出角速度。直接采用现有的算法时,需要用曲线拟合的方法获得角增量,导致算法的精度降低。以圆锥运动为检验条件,对皮卡算法和龙格—库塔法的精度进行了分析。结果表明,对于光纤陀螺捷联系统,采用四阶龙格—库塔法直接求解四元数微分方程的姿态算法精度远高于皮卡算法。以划桨运动为条件,推导出了精度较高且适用于角速度和比力输出的速度算法,并给出了解算周期内的算法误差。对静基座条件下,捷联系统的误差特性进行了理论分析。通过求解误差传播方程,分析了陀螺漂移、安装误差、随机游走等对姿态测量误差的影响。在实验室内对系统进行了静态实验,测试结果表明在不同姿态下,系统15min内姿态误差小于0.5°。为模拟光纤矢量水听器工作时的姿态变化,进行了转动测试,测试结果表明短时间内,当转动角速度低于50°/s时,姿态角最大误差小于1°,但当转速大于100°/s时,由于超出了陀螺标定的最大角速度,误差明显增大。由于光纤矢量水听器工作时不存在特别剧烈的角运动,实验结果证明了此系统用于光纤矢量水听器的姿态测量的可行性。最后在实验室内设计了三轴角运动实验,对系统存在三维角运动时的精度进行了初步测试。结果表明,当角运动速度较慢时,姿态误差角小于1°。而当有剧烈角运动时,系统测量误差较大,实验结果表明此系统比较适合应用于低动态环境。

全文目录

图目录  6-7
表目录  7-8
摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题意义及应用背景  10-11
  1.2 光纤陀螺简介  11-12
  1.3 姿态测量的关键技术  12-14
    1.3.1 惯导系统的分类  12-13
    1.3.2 关键技术  13-14
  1.4 论文研究内容及结构  14-16
第二章姿态测量系统的组成及工作原理  16-26
  2.1 符号约定  16-17
  2.2 光纤矢量水听器的修正测向原理  17-18
  2.3 姿态测量系统的总体设计方案  18-20
  2.4 IMU系统的惯性测量原理  20-24
    2.4.1 惯导基本方程  20-21
    2.4.2 姿态矩阵的计算  21-24
  2.5 电子罗盘工作原理  24-26
第三章光纤陀螺捷联系统算法研究  26-34
  3.1 姿态算法  26-27
  3.2 速度算法  27-34
    3.2.1 划桨误差二子样补偿算法积分公式推导  29-30
    3.2.2 划桨误差二子样补偿算法误差  30-31
    3.2.3 二子样补偿算法的优化  31-32
    3.2.4 算法误差对比分析  32-34
第四章光纤陀螺的标定与测试  34-41
  4.1 光纤陀螺的标定  34-37
    4.1.1 开环光纤陀螺信号解调原理  34-35
    4.1.2 标定方法  35-36
    4.1.3 标定结果及数据分析  36-37
  4.2 光纤陀螺性能测试  37-41
    4.2.1 光纤陀螺启动时间测试  37-38
    4.2.2 零偏重复性测试  38
    4.2.3 零偏稳定性和随机游走系数测试  38-41
第五章姿态测量系统安装误差的标定  41-53
  5.1 IMU安装误差的标定  41-45
    5.1.1 加速度计零偏及安装误差的测试标定  42-43
    5.1.2 光纤陀螺零偏及安装误差的标定  43-45
  5.2 电子罗盘的校准  45-49
    5.2.1 误差分析  45-47
    5.2.2 标定实验  47-49
  5.3 电子罗盘的安装误差标定  49-53
    5.3.1 安装误差标定原理  49-50
    5.3.2 标定实验  50-53
第六章姿态测量系统仿真及实验研究  53-64
  6.1 系统误差仿真分析  53-57
    6.1.1 陀螺漂移引起的误差  54-55
    6.1.2 光纤陀螺标度因数及安装误差对姿态误差的影响  55
    6.1.3 随机游走对姿态误差的影响  55-56
    6.1.4 初始对准误差对姿态误差的影响  56-57
  6.2 实验研究  57-64
    6.2.1 静态实验  57-58
    6.2.2 单轴转动实验  58-61
    6.2.3 三轴角运动实验  61-64
第七章结论及需要进一步研究的问题  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-69
硕士期间发表论文情况  69

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