精密磁悬浮陀螺全站仪特殊环境数据算法分析及稳定性研究

摘要

从陀螺仪的发展进程看,陀螺仪软硬件系统都在不断地发展和完善。国内外专家学者主要是集中在三个方面进行不懈的努力和探索,即仪器的硬件的改进和研制、观测方法的完善和观测数据处理公式和精度的研究以及仪器应用方面的拓展,通过这些研究来提高仪器的精度、稳定性和应用范围。
　　多年来,长安大学测绘与空间信息研究所与中国航天科技集团第十六研究所经过联合技术攻关,研制的国内首台基于磁悬浮支承体系,数分钟内定向精度优于5″的高精度磁悬浮陀螺全站仪,先后应用于国内几十项重大工程,并取得满意的定向精度。该仪器系统借助磁悬浮技术使高速旋转的陀螺马达处于悬浮状态,消除了传统陀螺机械摩擦干扰力矩等不良影响,并通过力矩传感器和陀螺转子之间的相互作用,测量两个精寻盘位采集的4万组电流值,计算出测线的真北方位。但在某些实验和工程应用中,发现某些环境中的强风、振动或磁场对仪器采集的转子电流值产生影响,数据含有显著的噪声,离散度偏大,陀螺仪转子系统受测量环境的影响明显,影响了仪器的定向精度和稳定性。
　　为了提高仪器的精度和稳定性,论文研究了磁悬浮陀螺全站仪系统误差问题,对其进行分类研究和分析,对仪器采集的转子电流数据运用时间序列分析、小波分析、自适应过滤法及自适应渐消滤波法进行滤波、预测和建模,以提高转子电流的数据精度,从而提高仪器定向精度和稳定性,为今后仪器的小型化、智能化、自动化发展提供改进的依据。论文研究的主要结论如下:
　　1.仪器误差主要包括系统误差、偶然误差及起算数据误差的影响,仪器的转子圆度误差和质量不平衡等系统误差的影响可通过数理统计的方法加以检验判断,通过观测方法的改进、计算方法的改正和仪器的检校加以消除或减弱。而仪器电压的不稳定、频率的变化、外界振动及温度梯度变化使转子转速不均,从而产生干扰力矩导致力矩器的指向力矩突变而产生偶然误差可通过统计学的方法加以分析,用相应的数据处理方法加以剔除。
　　2.利用时间序列分析法分析了用于计算定向角的转子电流数据统计特性,通过计算编程建立磁悬浮陀螺全站仪定向误差的线性、平稳的时间序列模型。根据建立的时间序列模型自主地修正转子电流数据,利用修正的转子电流数据计算定向角,提高了仪器的定向精度。
　　3.基于磁悬浮支承体系的磁悬浮陀螺全站仪在定向测量过程中,由于受到仪器内部结构和外界观测环境多种因素的影响,其转子电流数据会产生非稳定性的波动,这种非稳定性可由残差序列的条件异方差特性所反映。通过对条件异方差模型(GARCH模型)的性质和建模过程的分析研究,经编程计算建立磁悬浮陀螺全站仪采集的转子电流数据的GARCH模型。通过所建模型分析不仅可得,产生转子电流数据非平稳波动的基本原因不是由于仪器内部结构所产生,而是由外界环境因素引起的。而且可以判断产生转子电流条件异方差数据具有时变性和簇集性两个特征,据此选择仪器采集数据的最佳时段,为转子电流数据特征分析和处理提供一种新方法。
　　4.利用小波分析法,对仪器采集的转子电流观测数据的误差进行剔除,有效地从强噪声干扰的转子电流数据中提取用于计算定向角的数据,较好地改善仪器的定向结果,提高了仪器定向角的精度。
　　5.利用自适应过滤法原理及计算方法,建立自适应过滤法模型动态地预测磁悬浮陀螺全站仪数据的变化趋势。这种模型适合于作周期性变化的磁悬浮陀螺全站仪观测数据的预报,此方法可以作为仪器观测数据自动监测的有效手段之一。
　　6.将渐消因子引入到自适应滤波算法中,运用渐消自适应 Kalman滤波算法原理处理磁悬浮陀螺全站仪系统采集的转子电流值,对仪器定向精度的提高有一定的作用,但是效果不明显。

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第一章 绪论

1.1 陀螺仪及陀螺全站仪技术的发展

1.2陀螺全站仪研究现状及意义

1.3 磁悬浮陀螺全站仪研究现状及意义

1.4 本文的主要研究内容及技术路线

1.5 本章小结

第二章 精密磁悬浮陀螺仪定向的基本原理与仪器误差分析

2.1陀螺仪定义、分类及其基本特性

2.2 陀螺定向测量的原理

2.3 磁悬浮陀螺全站仪定向系统工作原理

2.4 磁悬浮陀螺全站仪的误差分析

2.5本章小结

第三章 磁悬浮陀螺全站仪定向误差的时间序列分析和建模

3.1 引言

3.2 时间序列分析及建模

3.3磁悬浮陀螺全站仪误差序列建模

3.4 模型误差预报

3.5 本章小结

第四章 基于异方差分析的精密磁悬浮陀螺全站仪定向误差建模方法研究

4.1 引言

4.2 条件异方差模型ARCH

4.3 精密磁悬浮陀螺全站仪转子电流数据特征分析与预处理

4.4 精密磁悬浮磁悬浮陀螺全站仪GARCH建模与分析

4.5 条件异方差模型（GARCH模型）的预测

4.6 根据ARCH模型分析转子电流的特征及模型分析

4.7 本章小结

第五章 精密磁悬浮陀螺全站仪定向系统中消除噪声的几种有效方法研究

5.1引言

5.2 小波分析在转子电流消噪中应用研究

5.3 自适应过滤法在转子电流消噪中的应用研究

5.4 本章小结

第六章 精密磁悬浮陀螺全站仪系统渐消Kalman滤波算法研究

6.1 引言

6.2 磁悬浮陀螺定向系统Kalman滤波理论的数据建模

6.3自适应Kalman滤波算法

6.4 渐消Kalman滤波算法

6.5 算例分析

6.6 本章小结

第七章 结论

7.1 本文取得的主要结论

7.2 未来工作展望和设想

参考文献

攻读博士学位期间的主要研究成果

致谢