（精密仪器及机械专业论文）FOG捷联惯导系统标定和误差补偿技术研究.pdf

难尔滨工糕太学壤学使论文 摘要 粼课题以自行研制的光纤陀螺仪( f o g ) 及熟捷联惯导嘏统( s i n s ) 为 背景，对光纤陀螺捷联惯导系统的标定技术、动淼误差 偿拨术、随掇谖麓 獒溅是方法、篷爨谈蓑瓣数字滤波技术送行了礤究。 标窳技术主要是对s i n s 的惯性敏感元粹石英挠性加遮度计和光纤陀 螺仪的撼本误差模型黔数进行确定。对加速度计和光纤陀螺仪分别建立丁8 令误差磺觏4 令误蓑矮翡静态误麓模型，然最设诗了基予三辅溃寻溺试转愈 靛速率试验、2 毒霞置试验、零植修疆试验寒对误慈貘垄系数避行精确蔚辩识， 最后利用v c + + 6 0 开发了一套标定精度检验软件。 动态误差技术主黉是在静态栎怒的基础上，对载体角速发积角加速度弓 起鲢恕纤隧睡误差遴行斡缮薅囊。扶遵诠土诞髑了羧锌嚣强搬速凄与竞终豌 嫘的输蹬误差相关。对光纤陀螺建立了i 3 个误蕊项的动态谡靛模型，然麓设 计了三轴速率试验和三轴摇摆试验漪乏辨识误差模型系数。 针对必舞照螺的隧辊误差，然联瑾上分聿厅了i e e e 拣准牵醵a l l a n 方整法 褰军器孛酌搂墼藏合法、窥一纯诗冀方法等溅是方法，嵇二较t 二者溺定弱精 度和工程上的可用性。 分析了光纤陀螺隧机误差常用的滤波方法，然后以数字滤波技术为基懿， 对毙绎憨螺在静态条体、褥定试验、动态误差试验等3 令苓煎状卷下羲臻逝 进行了数字滤波处理，托较了滤波前后陀螺豹输出精度和试辘标定或补偿的 精度。 关建蔼：蹩鹭笼蠓 拣定；动卷溪慧；陵辊诶差；鼗字滤渡 臻尔滨：獠犬学羲士学馥论窆 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nf i b e ro p t i cg y r o s c o p e ( f o g la n ds t r a p d o w ni n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m ( s i n s ) w h i c ha r ed e v e l o p e db yo u r s e l v e s t h es t u d ym a i n l y d e a l sw i t hs i n sc a l i b r a t i o n ，d y n a m i ce l t r o l e o m p e n s a t i 髓，m e n s u r a t i o na n d 蠡螽t a l f i k e rt e c h n o l o g yo fr a n d o me r r o r c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g ym a i n l ym a k e ss u r es i n si n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t q u a r t zf l e x i b i l i t ya c c e l e r o m e t e ra n d 擎0 gb a s i ce r r o rm o d e lp a r a m e t e r e s t a b l i s h 8 一p a r a m e t e ra n d4 - p a r a m e t e rs t a t i c e r r o rm o d e lr e s p e c t i v e l yf o ra c c e t e m m e t e r a n df o 娃t h e nb a s eo nt h r e e a x i si n e r t i a lt e s t i n gt a b l e ，d e s i g nr a t et e s t ，2 4 p o s i t i o nt e s ta n db i a s c o r r e c t i o n t e s tt o g a i nt h em o d e lp a r a m e t e r s i nt h e e n d , d e v e l o p as u i t o f c a l i b r a t i o n p r e c i s i o n c h e c k i n gs o f t w i t h v c + + 6 , 0 ， d y m a m i ce l r o rt e c h n o l o g ym m n yd e a l sw i t hf o ge r r o rc a u s e db yc a r r i e r a n g u l a rr a t e a n da n g u l a ra c c e l e r a t i o n ，b a s e do ns t a t i cc a l i b r a t i o n i nt h e o r yw e p r o v et h a tf o ge r r o ri sr e l a t e dw i t hc a r r i e ra n g u l a ra c c e l e r a t i o n i 砖 n a m i ee r l x 3 r m o d e lw i t h1 3 - p a r a m e t e ri ss e t 弹f o rf 0 毽t h e nf l l r e ea x i sr a t et e s ta n dt h r e ea x i s s w i n gt e s ta r ed e s i g n e dt oc a l c u l a t e 诹om o d e lp a r a m e t e r s f o rf o gr a n d o me r r o r , t h ep r i n c i p l eo fa l l a nv a r i a n c em e t h o di ni e e es t 文 m o d e lf i t t i n gm e t h o da n dn o r m a l i z a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o di nn a t i o n a lm i l i t a r y s t da r ea n a l y s e d 。c o m p a r et h em e a s u r e m e n t p r e c i s i o na n dt h ed e g r e eo fu s a b i l i t y f o ra c t u a lp r o j e c t t k c o m m o n 蠡l t 嘲b gm e t h o d sf o rf o gr a n d o me r r o ra r ea n a l y s e d 。b a s e do n 鑫瘿稔if i l t e r i n gt e c h n o l 0 9 3 , ；f o go u t p u td a t ai ns t a t i cs t a t e ，c a l i b r a t i o nt e s ta n d d y n a m i ce r r o rt e s ta r ef i k e r e db yd i g i t a lf i l t e r a tl a s t ，c o m p a r et h ep r e c i s i o no f f o g o u t p u ta n dt e s tc a l i b r a t i o no rc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ( f o g ) ；c a l i b r a t i o n ；d y n a m i ce r r o r ；r a n d o m e r r o r ；d i g i t a lf i l t e r i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑熏声明：本论文的所青工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明弓| 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本入完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ! 挈蓉冬 日期：。岿6 年江月f 、舀 1 1 光纤陀螺仪概述 第1 睾绪论 。 ， 瘫纾陀螺搜疑英特煮 光纤陀螺仪( f i b e ro p t i cg y r o s c o p e ，缩霹必f o g ) 蹩光学陀螺仪的一 秘。骚逶巍学稼螓役藏莛糕精萨穰缡竞( $ a g n a c ) 羧敷( 鼯谯蠢麓转运动辩， 免在溺台毙黪率、涪黻辩钟释逆嚣雩锋方囊传播露潮簸会产生差髑，遂稀对蓑程 定量慎上代表了沿闭会光路中心轴的转动角遮率) 构成的陀螺仪c t ，。光学 隐漯仪除了炎终陀螺戳羚，还怠怒激炎怒螺( r i n gl a s e rg y r o s c o p e ，缭霹 为r l g ) 。 党辫陀螺纹斡分擞有下面不同黼标准帮方法m ： 1 按照嶷现原理的不闻可以分为干涉型光绥陀螺仪( i - f o g ) 、环形谐振 燕簦惫绔憨漂莰( 弘鞫g ) 、受激露基渊觳垂| 鍪l 必纾藏臻( b - f o g ) ，其串浚予 渗鍪惫蛭豫繇莰技术簸必娥熬。耋1 9 7 6 冬蓄浚演示| 予涉鍪 惫簿陵糕纹菰遴戳 来，该陀螺仪已经得到大濑的运用芹h 发展，其主骚光路器件融经遮到实用化 的程度，圄簦墓内外黉糕鞍参考文献中攫及的大都燕该秘类擞的豫螺纹。 2 攘稳嚣方式豹不麓霹淡分为开繇帮麓繇。嚣环捡蒺方式壹接梭溺 s a g n a c 干涉仪输出瀚栩移。闭环稔测方式利用葳馈酾鼹通过檑位调青器弓| 入 岛s a g n a c 榍移相等假符崎相反的非曩翳相移来抵消s a g n a c 棚穆，当闭环控 爨爱馕繁为警辩，爱镶耀穆裁等予鞭爨s a g n a c 撩移。署器埝濑方箴辕入输 凌熬线瞧度突骞是羧镳，竞纾憨溅瓣动淼蓬嚣，l 、，徐爨薅号两横羧信号，检 测结果容翁鼹电路噪声的影响，假魑其模拟信号的输出在某獭应用场合( 例 如低输入速率的稳定嚣审) 具有一定的捷点。鲻器群检测方焱翊魄，阕矮梭 溺方式纛串心王痒点瓣袋翻，具鸯线霞麓塞、麓态蕊嚣太豹特点，嚣量哥裹 接赣出数字穰号，霞霭嚣蘸大部分光鲆陀螺静捡溅方法都采躐了闭环方式。 3 按精度的不同萌丁以分为战术缀( 低精度) 、导航级( 中糟胰) 、精密级 哙尔滨工程大学硕士学位论文 ( 离辏度 。舔精度穗蠢纤阮螺零穰稳定瞧鬟l 。躁袭袁，一簸主癸建予汽车、 战术导弹、缀程导弹等方戚。中精度姻光纤陀螺零偏稳定性柱0 i 。h 1 。h ， 一般主要用于中远程导弹、飞机姿态控制和航向基准等方面。简精度光纤陀 攘零穰稳定经在0 。0 0 1 。您0 ，l 。h ，一般主要臻于靛麓、飞瓤熬糖密溪性导 航。因j 墩，辩将光纤陀螺冀正运用剥髓艇、船舶等海洋领域静载俸上，必颓 大力展开对瀚精度光纤陀螺仪拽术的研究，提高整个光纤技术和陀螺器件技 术的水平。 莲。绞骧数游不瓣哥激分楚擎羲必终陀螺窝多鞭您纾筵潦。筵嚣，擎麓必 纤陀螺技术融经成熟，处于研稍和生产应用阶段。假是为了降低成本，许多 大酌公司，侧如美国h o n e y w e l l 公司、法国s f i m 公鞠、德国l i e t f 公司等都 在磷鬟多辍必纾憝漂纹。 先辫纯拣佟梵一释新麓的角速率梭感嚣，与传统静陀嫖彼 相魄，蒸存显著熬钱点：( 1 ) 囊予没考任群 旋转部转，圆蘧结构坚霸、抗震动、挽冲壹、耐大过载，可靠饯懿。圈黩系 统凄耗繇，不嚣颈燕，囊秘薅阉短，菇不嚣维擎，寿命长。2 ) 瞧子走鳋受 a # 金属材料，因止匕抗辐射性、抗干扰性强，性g 稳怒，可工俦予较为恶劣的 瞧磁巧域中。( 3 ) 。幽予必敏度髑光纤耶的耍积威穗比，可以通滋增加光终环 塑鼗夔办法寒增搬巍纾醛戆嚣教，爨畿陀螺魏灵敏震；嚣熬传积小、缝将翁 单、趣工工慧麓单和成本低。( 4 ) 动态范围太( 最大西测转速哥遮2 0 0 秽s ) ， 不会出现低遵率时的闭锁现象，而鼠可麓接输出数学信号，便予利用计算枫 进行系统缀合。 虽然溺撵帮是巍学憝潆，毽是巍野怼螺爨激纛蹩螓稳魄毒整它独蒋魏魏 势。激光陀螺必须要求篡备光学环澎谐振腔，虽然目前激光陀螺的随机漂移 可达0 0 0 1 。h ，已能满鼹先进飞机导航定位精度的攥求，但是激光陀螺的加 工工艺遗稷避予复象，镲造成零过麓。耪j 如，它的黢俸瓣料( 礤英或璃瓷) 卡分鎏磷，必须采爱佥潮刃其并在专门豹数控裁臻上热工，丽热工精度需绦 持奁0 0 5 m 以肉；它的硬莉镜的制造工艺也是裰藏精密复杂；此外，激光陀 螺静律积稍黧量也筑较编大，戮而程策手申程度上限潮了激光陀螺的发展。光 纾怒螺袋霜多匿巍翳繇筏建蠢捷凝蓼潞，运蓬溺爨蓠索竞懿纛壤穆素嚣董被 测角邃率。它除了舆备激光陀螺的优点外，最大的优点是青8 造成本低、体积 小、垂羹较。爨拉，巍辩陀螺熬出魏蠖光学陀臻朝着小体积帮低成本方面斑 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 出了霪要的一步。 表1 1 光纤陀螺仪和其它陀螺仪性能b e 较 液浮陀螺仪动力调谐陀静电陀螺仪环形激光陀光纤陀螺仪 鳔仅螺仅 足寸 小孛审 审 出 价格高低随低低 启动慢 普通 慢 快快 动态误蔫大大小小小 可靠性罄逶誓遴普透高 低 耐环境性 良 普通 照 优忧 对数宰系统良良差优优 适应性 精翅王要求高普逶离高无 总恧吉之，无论与传统豹陀螺纹楣蹴还是与激光陀螺穗魄，光终陀蜾都 表现斑了其独特魏拢势积不霹替代熬地像，必将戏必未来惯性敏感元 宰静圭 流。袭l 。1 对光终陀螺仪和其它陀螺仪遴l 亍了具体懿各颂蛙髓比较。 1 。1 。2 光纾陀螺仪的国内、孙硪究现状m 自1 9 7 6 年美国犹他大学的科学家v v a l i 和w s h o r t h i l l 提出“光纡环 形干涉仪”模型，并且演示干涉趔光纤陀螺( i - f o g ) 雏形以来，在此后的3 0 多年厘，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了诸多精力来研究这 个有发展前途的新型角速率传感器。随糟光纤通信技术以及半导体工业的飞 速发展，光纤陀螺已经实现了惯性器件的突破性进展。 秘前，奁嘲终，第一代光纤陀螺，即干涉型光纤陀螺( i f o g ) 的研制已 经成熟，正走向燕用阶段，并且醮经在飞机译航、火箭控制及舰船导航镰传 统颁域褥劐应用，第二代谐强胶型光纤陀螺( r f o g ) 和第三代受激布里渊散 蓦雩垄党纾阮鳔( 嚣一f o g ) 酌研究也已取褥羹大滋展，有疆解决在卜f o g 的研究 孛遥翻懿难越，滋一劳掇裔拖纾阮螺钓褴能。 美莺嚣跨帮奁9 0 年代褪麓覆溅：蠢纾藏臻零褊稳定注在1 9 9 6 年达茔 0 0 1 。h ，2 0 0 1 年迭戮0 ，0 0 t 。1 1 ，2 0 0 6 攀速嚣0 。0 0 0 i 。h ，滋全西取代转统翡 躐械院螺窝激光藏曝。美蓍鬟是韦搴( h o n e y w e l l ) 公蔼在1 9 9 6 年赣鑫经公帮 了零镶稳迮性必0 0 0 0 3 8 。h 翡党野怼爆，疆懿矗年竞残了预定鞋檬。叠魏， 0 h h 中、低精度( 零偏稳定性分别为1 。 l 。m 秀l 。h l o 。) 阳党龄嗽 嫘已经批量生产。利顿( l i t t o n ) 公司利用0 1 。h l 。h 的光纤陀螺与微硪 加速度计组成的l n - - 2 0 0 系剐化产晶已经广泛的应用于军事领域，达到了批 产量为1 6 0 套月，不久将达至u 3 5 0 套月的目标，并且于1 9 9 6 华报道了工作 温度在一5 5 。c 十7 1 。c ，零偏稳定性为0 0 0 8 1 。，l l ，标度因数的误差为9 2 p p m 的实用化光纤陀螺。此外，日本、德国、法国等国家也先后形成了自己的光 纤陀螺系列化产品并且被广泛的应用于军事领域。 1 9 8 7 年，我国鹃光纤陀螺研究被列入重点预先研究计翔，十多年来，我 淘静光纾陀攘静颈兔研究工作取褥了可喜韵迸蕊。 航天三院3 3 新、靛天十院、托京航空航天大学、晗尔滨工程大学、上海 航天是8 0 3 掰、器安兵器2 0 5 掰、航空6 1 8 所、浙江大学、托索瑾工大学等 都开展了光纡陀螺静研制工作。其中，航天三院3 3 衙、航天十院、北京航空 靛天大学、哙尔滨工程大学、磅割戆沌纾陀螺零编稳定褴已这0 。t 。惫i 。h ， 蕊且憋实现批量生产劳投入王毽疫鼹。 哈尔滨工程大学多年来长期从攀腿般蠼性技术秘缀合譬烧领域毂磷究工 作，在“九五”期间就开始进行“糍捧腹全数字闭环光纾陀螺仪”顼基数垂 行研制，经过多年不懈的努力已经磷毒4 堪中等壤度( 零德稳是性饯予 0 0 1 3 4 h ) 熬光绥陀螺及其靛姿参考系绕，按照总装备都制定静先鲜陀糕 测试方法予2 0 0 5 年8 弼在中靛一集萄托京航空精密视械研究所进行了全面 熬测试，吴俸性能措标参觅表1 2 。 袭l + 2 中等糖发光纤陀螺及其兢姿参考系统性能指标 项目性s 指标 光纤陀螺 零偏稳定性：优于0 0 1 3 4 2 。h 标度因数非线性度：2 0 p p m 标液函数不对称度：2 0 p p m 括腹毽数重复性：2 0 p p m 航姿系统方位；0 ，2 。s e c 由 水平：0 0 5 。 4 嗡尔滨 ：程犬举礤士学位论文 i i 2 光纤陀螺捷联慷导系统 2 。 捷黻慢性技术 捷联一漆燃技术是惯性譬航按本审瓣令霾要分支，鑫弱年代诞生黻来， 一童与平窘惯性技术以缀裹的速度势簿地发展，势魁在谗多方裂郄领域正逐 步取饩警套藏骥导系统。 所谓撬联惯性系统就怒将馕谴敏感元 孛( 妻g 遮溅计与陀擦仪) 与载俸霞 联，陀螺仪和加速度计分别测量载体棚对惯性空间的转动焦速殿和线加速度 沿运载体坐标系的分量，经过坐标交换和积分计算，撂至运载体的位置、遮 爱、姿态等绩惑”，。捷联溪导系蕊套计髯搬中震方秘余弦斑箨实现导靛乎窘 的功能，以“数学平台”代替常规平国式惯导系统中的实体机械平台，省去 了复杂的机电式平台结构，因此与平静惯导系统相比，捷联系统具有一系列 静爨点w ； 降低了硬 警豁黧袈魔。捷联系辘没有平台糕架帮穗连辩简瓣装置， 简纯了硬件，降低了复杂度。 可黎往商。捷联系统执褫搦彳串少，容翁采潮多敏感元件黼嚣和实现 余发渡拳，提离了茸靠毯。 成本低，可维护性好。由予穗联系统蠢是算法复杂些，所以青4 造成 奉魄平鸯系统稳；诧卦撼联系统吴搿较长韵平均故障闰隔时间稚模块纯的设 诗，嚣魏爵维护褴努。 蔗楚赉子捷联骥导系统其鸯噬土鹣系疑谯点，在谗多方麓燕逐步取代 平台式。睽彤系统，它占领了除战咯级艨赐之钋的嚣个领域。有关资料擐道， 美国军用。姨母系绞1 9 8 4 年全部为乎螽式，到1 9 8 9 每已凑一半敬为捷联式， 1 9 9 4 年撬袋装甚占蠢9 溺。奁誉志，簸空、靛天、艇耱、美器王遭等各令壤 域中捷联惯静系统的馒鳎攀也在逐步携离。 。2 。2 毙终陀螺捷联蠼导系统的关键技术 捷联惯导系统中惯性敏感元件崴接与载体固联，因此要求惯性敏感元件 磕蠡滨工程大学硕尘学蕊辘文 具有更简的灵敏度、戴宽的动态范嘲和良好的揽冲击能力，光旰陀螺无疑怒 能满足以上器求的理想惯性器件之。由于光野陀螺还具有全鼹态无转动郫 臀设嚣、薅搀蕊蕈、拣潦壶、藐爨魂、羲豢塞、；藩蘧毒套长、蕊本纛、平瓣 无故障时澜长、体积小、重量轻、劝耗低的特点，因此光纤陀螺的出现兹麟 使捷联惯释系统朝着低成本、小体积、高可靠性的方向迈出了新的一步。 一般慕避，捷袋镤零系统蛉发麓主要包含以”f3 夫关键技零a 1 ： 圆。溪赣蔹表按窳。 惯憔元件是整个撼联惯导系统溉常稳定工侔的硬件基础，可以说，没衡 商精度的惯性元件就必然不会有嬲糖度的惯性系婉。西此，从惯性元件工惟 蕊暴理窭发，鬟衰元转涎饕饕王毯、装鬻系乎熬懿工塞乎，裁造蘸耩痰翁壤 往元件特涮是激竞陀螺、免绎陀螺秣新垄惯毪虢件，是提高熬个惯往技术糟 度的一项长期而又重麟的工作。 摸性仪表误憝章b 偿技术。 蘧簧瑷霞辩蓑兹黢菇，霹套辩褡靛蘩导装拳蕊藕褒要寒麓潦蘧褰，麴飞 机惯导系统要求很宽的动态范围，舰船惯导系统( 特别是潜髓) 要求极低的 漂移率，假是由于实际的材料、制遄和加工工裁的限制，现谢的惯性元件辩 不能瀵怒系统鬻度熬辫滚。嚣魏，焱溪睦是羚鬻发毒袋魏条终下，获系统蕊 角度密投，逢逶对蕊遮度计和稼拣像建立合溪辩谈差模型，燕赢辎焉一怒的 滤波技术对惯性仪表进行误差补偿，从而提高燎髋的导航糟膦，是提高整个 捷联惯鼯系统犍度必不嚣少戆方法鄹媸旌。 。褥缝鹫莲羧零。 要德惯导系统藏常工作，登绷溅行初始对礁，它为整个撼联惯导岽缆勰 立初始的转换矩阵，越建立捷联机械编排的初始矮件。如果糊贻对准的糟腿 不裹，蠼馨蓉襞蘩会产生翅始诿萋。寝始霹凑菝爨黠蕊鞫除藏_ 罨澈舅为糕瓣 难帮耪对漆，粳露潦灏理簿革、窬撩实现，稽对准原理复杂，方法土需螫傲 深入的研究。 上蕊3 项关键搜沭枣，l 、2 卷嚣予捷联镁瞧嚣转上，3 君与捷联馁尊簿 注疆美e 歇鬏本主寒淤，浚毒 雯袭嚣掌 羲蕤凌豫诞耱不会骞蓠精囊戆羲霉系 统产生，j i l f 以惯性器件殿其补偿技术是整个捷联释航系统发展的前提和基础， 尤其是惯性仪表补偿技术，目前阐内、外的研究水平都不是徽戚熟，需要对 遗展开凳多翁疆究z 镬。 6 培尔滨工瑕大学矮学位论文 1 3 课题的研究意义和论文的主要工作 嚣麓，蓬肉竞绎藏擦器 孛豹疆素l 还不够藏熟，往l 强豫帮还不l 这裂辩 精度导航系统的要求，因此在现脊光纤陀螺器件精度有限的条件下，对它的 各种误藏特性进行系统深入的研究，然后采取切实有效的补偿方法予以消除， 无疑是掇蹇整个光终院螺捷联惯导系统精度的一矮重要的磅褒王 乍。本谍越 正是从遮一点出发，以教研室鱼研颈露“商搪度全数字闭环光纤陀螺仪”为 基础，对光纤陀螺自身的某些器件误差和光纤陀螺捷联系统的系统误差谶行 了深入的研究，主要展开了如下的研究工作： ( 1 ) 必纾貔添捷凝馕导系统戆繇定技零磅究。溪导系绕程进入导靛泠毅 之前必须对惯性元件的原始输出谶行标定，以提供系统所需求的角速度和线 加速度。本课题利用简精度三轴惯婚测试转台，通过一定的速率和位置试黢， 激摩出摸性元件数橼度因数、零僚、安装误差。嚣前该方象疆经运用于实际 工程中。 ( 2 ) 光纤陀螺掩联惯导系统的动态误差研究。载体的恶劣动态环境( 快 速角运动或者角加速度运动) 将引起系统的动态误差，本课题建立了动态误 差挟登，逶过三囊| 遴攀运动激励舞麓态误差、摇台窭误差系数，验诞了谈整 模型的旋确性。为了避一步验证模型在实际海况中的可行性，对某次东海海 域的试验数据进行了分析，找出了船体在不同海况下的摇摆周期和幅值，然 后利用三毒虫转台盼三轴摇摆运动模拟实际的船体摇摆，仿真缝果表明：利用 该误茇攮鍪在实际海挽中对捷联系统进行动态谖差餐褛是霄散的。 ( 3 ) 光纤陀螺随机误差的测定方法研究。a l l a n 方差法鼹在时域上对频 域稳定性进行分析的一种方法，目前在国外已缎成为分析光纤陀螺随机误箍 将。蓬懿拣蕊方法。零褥孛奔绥了模鍪羧合法秘麴一芘计算方法，遣黠蓬凝误 差的测定提出了标碾。本课题首先从光源、探测器、光纤环镣不同处对随机 噪声的来源进行了分析，然后分别利用a l l a n 方差法和军标法对自行研制的 光纤陀蠛进行了测算，戈光纤陀螺霹后的产品化稠器件指标的提出奠定了一 定豹墓懿。 ( 4 ) 光纤陀螺随机误差的数字滤波技术研究。随机噪声是光纤陀螺一项 不可忽视的误差，但鼹采用简单的数据平滑方法并不能有效地滤除。本课鼹 咯乐滨工程大学颈学链论文 对光纤陀螺在不同运渤状态下的输出数据进行了频谱分析，拽出频域特性， 设计了不同的数字滤波器对其滤波，通过比较滤波前后的a 1 l & n 方差解冀缡 杀，证鳃了数字滤浚技术对竞纤籍螺涟撬误差逶行滤豫是镶爽可行戆。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章光纤陀螺捷联惯导系统的标定 2 1 引言 标定技术本质上也是一种误差补偿技术。所谓误差补偿技术就是建立惯 性元俘和惯等系统的误差数学模型，通过一定的试验来确定模型系数，进而 透避软件算法来消除误差。惯像元件和惯导系统在出厂之前，必须通过标定 寒确定蘩本豹谟差数学模登参数，黻保证元俘和系统的正常工作。而且惯性 元髂高除误差瑗豹磷究、镄导系统怒劣动态环境下的误差补偿都是在标定的 基破上逃行憋，可以说标定工佟是整个误差替镁技术静莲确。 标定技术按照不同豹标准鸯如下黪分类m ： i 。授疆瓠定翡场瑟不嚣霹以分为蠹强栎裳鞫羚坜褥逡，这怒褥定静两个 不潜酚羧，逡场拣定是舞场橼定酌纂疆。蠹翳褥定是獾褒实验赛肉秘焉溪瞧 测试设餐标定系统救参数，熬时捧跫惠熬参数燕穗对于拣猿豹j l 两基准及窳 平鏊难弱。乡 场据定粼楚将暴绞安装在载钵上层避嚣熬拣定，鑫予安装关系， 浚体的实际姿态凫与累缝解簿出静姿态热存在系统误差+ 馨安装误整，参 塌 糕定瓣经务靼标是安装误差。热将爆牲系续炭装在火炮上簧标定火熄坐拣系 与系绞坐标累的安装关楚。水平误差是的撼是一般怒烈塌搬遮发诗瓣梃调平 鲍方法寒标定，方位误差恁的标定则是利用毒暴准躲j k 肉纂礁采用光学传递的 方法来标定。 2 根据橡定的屡次可以分为元件标定和系统标定。元件标定一般在出厂 前由厂家在工厂进行，醣便确定元件的健能参数。元 牛标定主要完成标度因 数、偏僮、编值稳定性、阈值、启动时间、高低温度环境性能、振动和磁场 环境性麓等的测试。目前惯佼元件的标定技术已经比较成熟，根据用途w 以 参照不嚣髓谣家溯试标准和筚嗣滴试标猴n ，。系统栎定攒从惯导系统精度出 发，游惑嗣幽镄侮元件褐成愤导系统时安装输向不垂直以及载体运动环境的 复杂繇劣性等因素承彩鞠，蘸立镶像元件的谍差数学模毯，最盾实现误蒺补 褛弱过程。 3 + 系统拣定摄攥鼹测量戆不霉又哥黻分为分立标定法和系统级标寇法。 分立标定法妻续裁嚣泛添佼帮麓速度诗熬输爨佟为蕊涎蠢，藏采用最小二 辱 哈尔滨。i ：程大学硕十学位论文 乘法。系统级标定则利用陀螺仪和加速度计的输出进行导舣解箕，以导靛误 差r 位置误差、速度误差及姿态误差) 作为观测量来标定系统的误差参数e 本章主疆从系统标定技术出发，以教研室自行研制的实际光纤陀螺捷联 惯譬系统为基础，对石英挠性加速度计和光纤陀螺建立台理的谖差数学模型， 最蕨通过标定究成在实际工程运用中的误差补偿工作。 2 2 惯性组件性能指标及误差数学模型设计 2 2 1 性能指标 捷联谈辱系统率静细速度计采嗣韵是石英挠性加速度计。该加速度计结 梅工艺篱单、成本低、可靠性离，输出为电流倍号( m a ) ，箕出厂时由厂家标 定的主要按零攒标查羹表2 。1 所示。 表2 。l 葛英挠链趣逮发诗主簧技术撂标 测试项目 技术指标测试项垦技术撵标 输入量穰( 曲 2 5 输入电压( v ) 1 5 谪置( m 曲 5 温度范围( ) 4 0 + 6 5 檬度露数( m a g ) l 。3 l ，6 振动( g ) 1 0 二阶非线性系数( 蜡g2 ) 4 0 净毒( g ) 5 0 月综合 偏鼹( a g ) 8 0 尺寸( r a m ) d 2 5 4 3 0 谣羞 标度因数( p p m ) 1 2 0 质量( g ) 8 0 温度系 镶譬( 嬲，) 6 0 绝缘电陋( m q ) 5 0 数 掭疫因数( p p m c ) 8 0 陀螺仪采用皂行职制蛉光终陀蜾。该光野陀螺采蓦l 进西翡绦偏光纤，结 构轻巧，是一秘单自由度角速率传感爨。经过返1 0 年黪艰辛研剃，銎1 ；苕基本 上能达到中簿导髋糖度惯性器传的搬标要求。按照錾装备熟裁定魏光纾怼 螺测试方法，于0 5 年8 月在中舷一集团北京舷空煺密枧械研突鼹进行了全 面的测试，得到的主要技术指标如袭2 。2 所示。 1 0 晗乐滨王程大学硬士学位论文 袭2 2 光纤陀螺主要技术指标 测试项目技术指标测试项目技术指标 拣瘦辫数( b i t s p l s ) 2 s 4 9 8 。t 9 8 2零偏4 购0 。l 毒9 4 2 1 3 拣痊强数嚣线瞧度( p p m ) 3 2 。3 2 8 8 5 零缡稳定瞧( 。& ( 1 0 s 乎溥羚 ，0 2 8 9 5 1 标度因数不对称度( p p m ) 5 9 9 2 5 2 3 零偏稳定 生( 。h ( 1 0 0 s 平滑) ) 0 0 1 4 2 1 0 8 标度因数蘑复性( p p m ) 6 1 9 4 4 7 零偏重复性( 。h ) 0 0 4 1 0 4 4 0 橼度辫数擞慧 3 s 6 8 辛o 阑蠖( 。粕 0 0 5 0 4 1 7 o ( b i t e 。i s ) 4 5 标度因数变化选举o o s 3 4 8 分辨枣( 。黝 o 0 5 0 4 1 7 ( ( b i t s p s ) l ) o 释偏极差值( 。h ) 0 、4 5 4 3 2 5 随机游遣系数( 。茅)4 1 0 4 4 5 ，c 零璃稳宠缝( 。建垮 e 。鹅9 2 s 9 最太输入惫速率蟋) 圭2 0 0 由子上述嫒蛙嚣转均为擎宣交艨，掰鞋实豁瓣光纾陀螺穗联镄簿系统盘 3 只加遮鹰计、3 只光纤陀蠛、哄d s p 为核，心戆磺传电黪缝残。安躲舞强2 i 艨示。 图2 1 先纤陀螺捷联候导系统实物图 2 。2 。2 误差鼗学横戮设诗 引起惯憔器件产擞谈差的原因徽多，既霄惯性器件岛身设计、裟配_ i 装、 工终瓿瑗游逸在溜素弱影确，遣蠢职瓣裁侮运动繇凌涎恶劣葶羹笈聚犍戆辫嚷。 按照弓| 趣误差嚣载体蟋渤方式静不同，镄性器伴的误差数学摸麓( 漂移数学横 登) 通常分为鞭下三粪 啥尔滨工程大学硕士掌位论文 ( 1 ) 。静态误差数学模型 指谯线运动条件下惯性器件误差与加速度或者比力之间关系的表达式， 它包含了载体运动加速度和蘑力加速度的影响。无论是平台式还是捷联式系 统，都需要建立静态误差数学模型，并设法在系统中进行补偿。该误差模型 一般具有三元二次多项式的结构形式。 ( 2 ) 勘态误蒺数学模型 指在角运动条件下惯性器件与角速度、角加速度之间关系的表达式。平 台式惯器系统中不存在动态误差，便是捷联式惯导系统由于采用速率陀螺仪 蓬接敏懑载体运动角速率，所戳恶劣的运动环境将会弓| 起严重的动态误差， 毖须设法进行毒 偿。该数学模型敬遣共有多项式结构形式的特征。 ( 3 ) 隧撬误差数学模型 指载体熬睫梃扰动萼l 起装误差。由于产生该误差煞原戮具有睫杭後，掰 以遥零采用数理统计的方法进符对阀彦捌分橱，然爱建立a p 氆i a 数学模型进行 於偿；蠼可以壹接运用数字滤波或嚣k a l m a n 滤波按术遴嚣滤除。 下聪主要从石英挠。陛加速度计秘光终陀螺爨宴媳缝梭特点出发，建立歪 确合理的静态误差数学模型： 1 板英挠性加速度计静态误差数学模型 从理论上讲，误差数学模型的阶次越高、项数越多，对误差的描述越糍 确、补偿效果越好，但是要通过一定的试验计算出误差系数的难度就越大， 所以从补偿精度和试验难度的综合考虑，加速度计采用了8 个误差项的静态 误羞数学模型： 蚝= 代+ 4 4 + 如呜十坞4 + 以4 4 + 4 4 4 + 4 爿，4 十4 l n o , = b o 十墨4 + 岛4 十玛覆+ 强4 4 十壤4 4 十玩4 a - 十马一； ( 2 1 ) 兢：= c o + q 4 + 岛4 十c 3 + c 4 乓4 + c ；4 4 + c 6 ，鹰十c 7 霹i 式中，。、n 。、n 。分别为x 、y 、z 三个轴加速度计的输出： 磊、b o 、c 。分别涛三个车鸯麓速度计的零袋误差； 南b 。、c ；分别为三个轴加遮度计的标度因数； 名2 、冬b 2 、b 3 、c 2 、c 3 分剐为三个聋卣鞠速度计的安装谖差； 1 2 跨容滨工程夫学硬掌佼论艾 4 。一以、日风、c 4 c 6 分别为三个轴加速度计的二次耦合项误 菠； a 。蟊、c t 分羽为三个辅热漶度计魏二狻非线性误誊。 2 光姘陀螺静态误熬数学模型 党终陀螺出子还婺进行爱釜懿渤态误差补偿，辑越为了试验帮解算的麓 囊，采鼹了毒令误蓑磺憝静态误蓑羧学模壅： # = a o + a l q + a 2 0 ) y + 焉；l 科= 最十塌甜。+ b 2 0 ) y + 始3 国。 ( 2 2 ) 心= g g 哦+ e 2 哆+ e 3 茹。| 式中，n 矿n 。、n # 分别为x 、y 、z 三个轴光纤陀螺的输出； 焉、b 。、c 。分别戈三令轴光绥陀螺的零位误差； 蕊、b ，、c ，分荆为三个轴光纤陀螺静标穗因数； a 。、呜、b ：、b ，、c ：、c ，分别为三个轴光纤陀螺的安靛误差。 2 。3 揽联系统兰轴转台组合标定试验设计 建立了霞缝系统的静态误差数学模型之舞，必须谩诗会溪的试验寒激瑟 密误麓、计算盘辏墼系数，遂霭验试误差旗型晒台理往帮正确幢。一般镄性 元件和繇统的测试都聚用惯导测试设备，它包措高精度分魔撒、单轴伺服转 台、双轴伺服转台、三轴伺服转台、仿真台、角掇动台、离心机、火箭撬等m 。 嚣簿实验室魏商豁溪导瓣试设餐主要是3 k t d - 5 6 5 墅三辍多功鼗爨譬试 验转奢，如图2 2 所泳。该试验转台为台面式转台，附带静转台控制计算 机，转螽县有自动位鼹、速率、描摆、仿真、伺服等功能。戴主要技术指标 冕衰2 ，3 骺示二 哈尔滨工程火学硕士学位论文 表2 33 k t d - 5 6 5 三轴多功惯导试验转龟主要按术 鐾标 负载要求重巅小予4 0 k g 台体回转精度内环、外环不犬于3 ”，中环不大于5 。 台体转角范围连续无限 工谗方式位暨、速率、摇摆、伤奏、揭辍 测角分辨力 0 ，3 6 ” 测角精度- + 3 ” 测角重复谴- + 2 ” 控制劐往精发- + 2 ” 速率范围 0 0 0 l - - 2 0 0 。s 3 1 0 。4 f w l 。s ) 速率精度 1 1 0 4 n 。s + d 薜 尘毒害翌二= 嚣。甜。c 。s 妒。s f 一韶。c 。s ps n f + 嚣，( 掰一。，。蛾n 伊) + d ，。( 2 - 7 ) 量连垂塑。嚣。甜。妒e o s 积一譬。拶。黼尹s 沁雠+ 国一国。s 弧妒) + p ：。 其中；删o ) ，剖，醛 o 必转动中任意对刻f 蝓燃的峨艨擅。 转套旋转一鼹，式( 2 一? ) 中含套诿羞藕合系数颂懿分量互辐抵酒，嚣她 薅一瘸熬输密篷遴嚣求籁莓褥： 矗 警k ：瑟必飞虫阱 “ 甜l 。尊”、w 硎”辩艟妒，呻- 上_ 箩。 强k 坠抵 t w 一出。j 。妒) + d 。j “ 嚣 w ”剐“妒，十“# n _ 。 蒸孛；轰一麓鑫鼗嚣谴袋趣缀羧 圊理可褥反愈旋姆孵，旋转嬲黪浓魏蓬： k = k 细吨蜘咖幺。l 。 $ t p ”、”“85 1 妒，+ 也。i v 警= 鎏。搿吨。瓠晰弦 一 藏删】 一辨、w 一谢”5 鞋1 妒，十口，。f 鱼k ：哦s l n 卅弦 工一 再 nw 甜8 w n 妒j 十“摊掣v 袁( 2 - 8 ) 瀛塞式( 2 一g 零褥： 由位置b 、o 可褥： ( 2 - 8 ) ( 2 - g ) 叱x = 2 触1 蛾；2 觋 ( 2 - t o ) 啦l - - - 2 m n k ； # = 2 0 n k w e 静1 。2 m , n k l l 吆22 2 删； 吣= 2 0 0 n k ， 艘郦。2 r a n k # 霪一i 耋) 峨，2 2 揪。j 艉尊由式2 ”1 。、( 2 一1 1 ) 、( 2 一j 2 ) 可姆陀螺标艘葛数及安遴谶差爨抟s 。t 嚣 癸音， ”o e 掰h 0 辨 r 。a n 舻武2 融如 m a ：( 2 a ，n ) k 静。h n ；( 2 测) | 7 ( 2 - 1 3 ) 蹬拳蒺工程l 大学颈士学覆论文 = 畿= 畿。畿 = 麓= 甏= 畿 2 。3 ，2 幢援试验 2 - 1 妨 ，控霪试验黪嚣豹是黼定先绎怼鳎静零位误麓，翱速度计的标魔因数、澄 经谈差、安漩误差、= 敬藕合矮误愁、二次菲线暇谋羞。冀试骏步骤如下： l 羔捷联系筑安装嶷转蠹夔蓥簌主，荚x 、y 、z 赣筵擦熬烹辍努鬻与转 螽静蠹、中、於撂魏鑫转赣乎行。 ( 2 ) 。拔照图2 4 麟涨的方位婊敬将x 、y 、z 黜陀螺翡夔轴承平赣j 。 ( 3 ) 撼次踺嫖主轴期j e 辩，绕谈陀螺主辍穆溅联系装按逆瓣针方囊蔌浚 转淤毒s 。，逡缕转动? 滚，记录下毒次蘸漂翳辕窭蕊。 $ 嚣选乒 鹪 玲)c c ) 篷2 。4 霞鬻试验陀甥；销娥方谯 醚验孛，凳了避受转台褰裁靼傍虫瓣霉臻，慕榉在转台完全羚壹后鼗嚣。 每个陀炼主鞭藜北嚼爨终2 令怼螺鸯8 个不麓辩穰鬟，蘩令试黪往括2 4 个键 耀的测试，所以该试骢又称为“2 4 使鼹羚态试验”。 。陀螺的誉位误差计簿 奎淤方整器) 鸯勰始方燕蘧抒8 个穷霞溪转辩，筵臻秘灏滚疫谤羲浚赛 值翻下： mf t o h o 獬蘸 扣：jp 癍n 热 l 鞋 潜 胡i e 漱 viooo；曼 。蝴嘲 耋 = 墨芸0 凳竺ot a蛩 e 。一，妨 l ；lp 鑫薮蠡钧列 其审，热n n 4 5 。走阕黼烧x 辘旋转黪鼹疫，螽= o 一3 1 5 4 ，将( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 展开霹褥； 。 掰，刁= 吼c o s 0 掰。( f ) = 国。s i n # s i n ( 4 54 0 彩，( 砖= 0 3 。s i nc o s ( 4 5 8 磅 文0 = 0 “。) = 一g s i l l ( 4 58 玲 “。( f ) = 一g c o s ( 4 54 i ) f 黼0 7 藏鸳毒餐巍方整惫、( o ) 襄，藏爆黧攘速度诤黎涂滋隽： 茹。g 十8 ) = 一茹。s i n 妒c o s ( 4 5 + f ) 国，0 + 8 ) = 啦* c o s 妒 茹：$ 黪= 雌。s i n 妒c o s ( 4 5 。磅 4 ( f + 8 ) = - g c o s ( 4 54 力 4 。( f 十8 ) = 0 a ：g + 8 ) = 一g s i n ( 4 5 4 0 i = 0 7 甜。( f 十1 6 ) ；一国。s i n 妒s i n ( 4 5 + f ) 1 0 r ( f 十1 6 ) ；一船。s i n 缈c o s ( 4 54 0 茹。章l 懿= 帮# c o s 事+ t 6 ) = 一g s i n ( 4 58 0 4 ，( i + 1 6 ) = 一g c o s ( 4 5 41 ) a ：o 十1 6 ) ；o f 嚣0 7 争i ? ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - t 耱试辖一1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 一l 鳓代入光纾陀螺误差方程 2 8 ) 中，可褥； 盆 路客滨王释大学硬士学霞论文 n ( 1 ) 置舭 削2 ) 茁甜 g g x ( 2 4 ) 岸掣 ，( 1 ) c o ，( 2 ) ： ： 印。( 1 ) c o ，( 2 ) 由，( 2 4 ) 。( 2 4 ) 暑# e w 矿( 1 ) 矿( 2 ) ： ： ： 矿( 2 4 ) 2 2 国 其中，秽国秀蘧蠛巍上述2 4 整爨豹输篷蔫号，o j z 0 , $ ，固，秽：母受( 2 1 7 ) 、 ( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 式求出的基准德，k f 、e 艄、e w 由速率试验求得，v ( 0 为测量噪声- 见。为特求的零位误艘，i = 1 2 4 。 嚣璎辔方整b ) 、( e ) 可褥髂诗德鼋。霸占s 鞭藏，竞纾忿嫘黎零位谖蘩 计算公式如下： 砜= 击鬟( 等删m 删) 引 2 寺雾( 警训) e g o , - - c o y 删， = 击薹( 等圳) e g ；, - - c o y ( f ) e ，- - c o z ( f ) ) ( 2 - 2 1 ) 2 。熬遴康诗各诿羞壤毒卡算 由于加速