恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化方案可行性研究

摘要

激光陀螺快速寻北系统、激光陀螺捷联惯导系统完全自主、全天候工作和精度高的技术优势，使其在民用、军事等领域的研究不断深入，应用不断拓展。
　　论文面向高精度快速定向导航应用背景，研究同时具备高精度快速寻北、高精度惯性导航功能的激光陀螺捷联惯性系统技术方案。基于实验室自主研发的高精度恒速偏频激光陀螺寻北系统样机，针对提高系统性价比、提高初始对准精度与快速性和抑制纯惯导误差等技术需求，深入研究恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化方案的可行性，主要工作和创新点如下：
　　（1）分析了四种可能的寻北导航一体化备选方案：方案一恒速偏频激光陀螺寻北导航一体化方案，方案二恒速偏频模式寻北与机械抖动模式导航的寻北导航一体化方案、方案三单/双恒速偏频激光陀螺寻北与机抖激光陀螺惯导的一体化方案和方案四恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化方案。讨论了不同方案需要解决的关键技术问题。
　　（2）提出恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化系统的初始对准算法，解决了方案四恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化方案的关键技术问题。增加一个不随偏频机构旋转的固定在基座上的机械抖动偏频激光陀螺，抑制了沿恒速偏频旋转轴方向的陀螺标度因数误差造成的姿态误差积累。对系统关键参数 Cbgb精确标校，分别采用5状态、7状态和11状态的卡尔曼滤波器进行初始对准。实验结果显示：对于恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化系统，Cbgb精确标校后水平姿态角波动幅度从10角秒(1σ)减小到3角秒(1σ)，5状态、7状态和11状态的卡尔曼滤波算法不仅能有效地减小方位角周期性波动幅度，且10min精度优于10角秒(1σ)；且对于低采样频率，11状态的卡尔曼滤波算法能达到10min方位角优于10角秒(1σ)的精度。
　　（3）对比分析了方案三单/双恒速偏频激光陀螺系统寻北算法的主要问题。该方法虽然无需转台附加的精密测角仪器，从陀螺输出信号中提取出转台角度信息，抑制了测角误差对初始对准精度的影响，降低了系统的成本，但实验结果显示：在基于正交检测的单恒速偏频激光陀螺寻北过程中，由于不能补偿转台旋转存在锥动和周期性转速不均匀引起的方向敏感误差，八位置寻北航向角精度只能达到3.7687度(1σ)，对于单位置重复性不好，精度只能达到1.42角分(1σ)；在基于正交检测的双恒速偏频激光陀螺寻北过程中，虽然可以部分补偿由于转台周期性转动不均匀与测角误差耦合的方向敏感误差，但是寻北精度仍不高，航向角精度只能达到22角分(1σ)，对于单位置重复性不好，航向角求解值与真实值之间相差较大，精度只能达到1.24角分(1σ)，从而排除了方案三。
　　（4）对比研究了方案一、方案二与方案四三种寻北导航一体化方案的导航算法与可行性。分析了三种寻北导航一体化方案的纯惯导主要误差因素。基于高精度恒速偏频激光陀螺寻北系统进行了实验和半实物仿真实验，结果表明：方案一恒速偏频激光陀螺寻北导航一体化方案、方案二恒速偏频模式寻北与机械抖动模式导航的寻北导航一体化方案均不可行；方案四恒速偏频/机抖激光陀螺寻北导航一体化方案是可行的，静基座条件下，中长时间导航，纯惯性导航精度能提高到北向、东向位置误差均优于200米/4小时的水平。24小时长时间导航，北向位置误差优于450米/24小时，东向位置误差优于750米/24小时。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 相关技术的国内外研究现状

1.3 论文研究主要内容和组织结构

第二章 四种寻北导航一体化方案

2.1 寻北导航一体化方案一

2.2 寻北导航一体化方案二

2.3 寻北导航一体化方案三

2.4 寻北导航一体化方案四

2.5 本章小结

第三章 单/双恒速偏频激光陀螺寻北算法与实验

3.1 惯性器件输出模型

3.2 单陀螺单加速度计正交检测寻北方案

3.3 单陀螺单加速度计寻北实验验证与结果分析

3.4 双陀螺单加速度计正交检测寻北方案

3.5 双陀螺单加速度计寻北实验验证与结果分析

3.6 寻北导航一体化方案三可行性分析

3.7 本章小结

第四章 恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统初始对准算法与实验

4.1 偏频旋转轴方向等效陀螺采样值计算

4.2 关键参数标校

4.3 5状态卡尔曼滤波器设计

4.4 7状态卡尔曼滤波器设计

4.5 11状态卡尔曼滤波器设计

4.6 初始对准实验验证及结果分析

4.7 本章小结

第五章 三种寻北导航一体化方案纯惯导算法对比与可行性研究

5.1 寻北导航一体化方案一纯惯导算法与实验

5.2 方案二纯惯导算法与实验

5.3 方案四纯惯导算法与半实物仿真实验

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学习期间取得的学术成果