光纤陀螺的磁偏特性建模及其在旋转惯导系统中的应用

摘要

旋转调制技术是提高惯性导航系统精度的有效方式，采用旋转调制技术的捷联惯性导航系统被称为旋转捷联惯性导航系统（R-SINS：Rotating Strapdown Inertial Navigation System），其广泛应用于航空、航海等领域。陀螺是惯性导航系统的重要组成部分，采用光纤陀螺的旋转惯导系统被称为光纤旋转惯性导航系统(R-FSINS：Rotating Fiber-optic Inertial Navigation System)。
　　光纤陀螺的随机误差对惯导系统的性能有着重要的影响，并且近年来磁场对光纤陀螺输出特性变化的影响也逐步开始受到重视。因此本文重点针对光纤陀螺随机误差、磁偏误差及其传播特性进行建模、实验验证以及在旋转惯导系统中的应用等关键问题展开深入研究。
　　为了研究光纤陀螺随机误差在惯导系统中的传播特性，论文首先研究了陀螺随机误差在传统捷联惯导系统中的传播特性，建立了陀螺随机特性在惯导系统长时间导航中的理论误差模型，利用仿真和实验验证了理论模型的有效性。
　　为了提高光纤旋转惯导系统的环境适应性，抑制光纤陀螺在不同磁场环境下的磁偏特性。论文分析研究了导致光纤陀螺磁敏感性质的法拉第效应，建立了数字闭环光纤陀螺的环路仿真模型，从理论和模型仿真上分析了不同磁场引起的光纤陀螺输出特性。在此基础上，研究建立了飞机飞行过程中地磁场变化模型和机载电子设备产生的交流随机磁场模型，仿真分析了综合磁场环境变化引起的光纤陀螺输出误差以及惯导系统误差。
　　为了在实验环节验证光纤陀螺的磁偏特性并建立磁敏感数学模型，论文设计了基于高精度三轴亥姆霍兹线圈地磁模拟器的实验方案，通过实验对比，分析了基于俄罗斯 VG951和SRS2000两种不同精度光纤陀螺的磁偏重复性、线性度等性能指标以及磁敏感轴分布特性。实验结果表明本文的分析结果合理有效，并由此建立了光纤陀螺的磁偏差模型。
　　最后，论文针对光纤陀螺随机误差和磁偏误差在旋转惯导系统中的特性进行了分析、仿真及实验验证，并基于Ansys有限元软件建立并分析了单轴转台的磁场分布模型，提出了系统磁偏补偿方案，补偿后系统导航性能得到一定改善。
　　综上，本文针对光纤陀螺在旋转惯导系统中的应用进行研究，分析了光纤陀螺随机误差传播特性以及磁偏特性，建立了光纤陀螺随机误差的传播模型，深入研究了光纤陀螺的磁偏误差特性，在此基础上针对单轴旋转惯导系统样机提出了相应的误差补偿方案。论文通过对光纤陀螺长时间工作环境下的误差特性及传播模型研究，对磁场干扰下光纤陀螺输出特性进行分析、测试及建模，对光纤旋转惯导系统的随机/磁偏误差进行补偿，为旋转光纤惯导系统的性能改善提供了理论依据。论文研究成果具有重要的参考价值。

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注释表

第一章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的目的及意义

1.4 论文主要内容与编排

第二章 光纤陀螺随机误差的传播特性研究

2.1 引言

2.2 光纤陀螺随机游走的特性表征

2.3 随机信号激励下的惯导系统误差响应权函数

2.4 光纤陀螺角速率随机游走在惯导系统中的传播特性研究

2.5 本章小结

第三章 光纤陀螺的磁敏感机理研究及仿真分析

3.1 引言

3.2 光纤陀螺磁敏感机理分析及物理建模

3.3 光纤陀螺磁敏感特性研究及仿真

3.4 机载磁场环境对光纤惯导系统精度影响分析

3.5 本章小结

第四章 光纤陀螺的直流磁偏特性实验研究

4.1 引言

4.2 光纤陀螺直流磁偏特性实验方案设计

4.3 VG951光纤陀螺的直流磁偏特性实验及分析

4.4 SRS2000光纤陀螺的直流磁偏特性实验及分析

4.5 本章小结

第五章 光纤旋转惯导系统中的陀螺磁偏特性分析及补偿技术

5.1 引言

5.2 基于单轴旋转调制技术的光纤惯导系统原理样机

5.3 光纤陀螺随机误差旋转调制效果研究

5.4 光纤旋转惯导系统的磁场特性分析及磁偏误差补偿

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要工作与研究内容

6.2 进一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文