基于激光捷联惯导的实时高精度动态姿态测量系统研究

摘要

动态姿态测量技术可以在运动中实时自主测量载体姿态角，是武器控制系统、航空测绘、数字城市以及载体姿态多传感器数据融合的核心技术之一。本文基于激光捷联惯性导航系统研究了一种适于外场作业使用的实时高精度动态姿态测量系统，从激光陀螺信号特性分析、信号处理、圆锥误差补偿、温度补偿、晃动基座初始对准以及相位滞后补偿与时间同步等方面，改善了动态姿态测量精度，给出了最终鉴定试验结果。全文具体工作如下：
　　(1)指出 Allan方差分析激光捷联惯性导航系统中激光陀螺信号特性的不足，采用小波分解的方法，分析了导航频率下激光陀螺输出数据的噪声特性。提出激光陀螺在导航频率下的噪声不是通常认为的角随机游走，而是分形噪声，且噪声特性与采样频率密切相关。在导航频率下，高精度激光陀螺的噪声表现为一种不稳定性噪声。中精度激光陀螺的噪声表现为角速率随机游走。为了进一步抑制抖动频率带来的干扰，本文提出了一种多凹点有限冲击响应滤波器设计方法，将三个凹陷点同时对准三个抖动频率，得到一个24阶滤波器，其滤波效果优于原滤波器，达到40阶滤波器效果。通过提高激光陀螺采样频率和谱分析，指出目前国内普遍使用的2000 Hz采样频率并不合理，激光捷联惯性导航系统在该采样频率下工作会造成3倍频和5倍频信号混叠，把干扰信号引入基频带，影响系统精度，在此基础上，给出更合理的采样频率应大于4500 Hz。
　　(2)为了减小圆锥误差，采用双轴摇摆试验，对比了四元数、最优双子样、利用前一姿态更新周期一个采样结果的双子样算法，以及利用前一姿态更新周期两个采样结果的双子样算法等四种姿态更新算法结果。指出并不是子样信息越多，姿态精度越高，姿态更新算法选择应根据试验结果确定。在此基础上将导航解算频率从原来的200 Hz提高到2000 Hz，通过7°，0.5 Hz，10 min三轴摇摆试验验证，圆锥运动姿态漂移下降到0.01°左右。
　　(3)本文提出了一种温度控制与温度补偿相结合的新方法，使用金属和胶木复合隔热垫，对加速度计实施温度控制；对激光陀螺偏置进行温度补偿。在标定激光陀螺偏置与温度的函数关系时，没有采用常规定点温度标定方法，而是提出一种缓慢升温连续标定的新方法，将温度补偿试验过程缩短到几个小时以内，使得温补效率提高3~5倍。试验结果表明：在-40℃～+60℃大温度范围内，温控与温补相结合的方案仅需15 min的预热时间，远小于传统单独温度控制方案预热时间。标定时，仅使用单轴温控转台就可以完成温度补偿，降低了激光捷联惯性导航系统后期维护设备费用。
　　(4)针对捷联惯性导航系统晃动基座对准问题，分析了现有对准算法的不足，提出了基于姿态跟踪思想的晃动基座对准方法，把载体晃动引起的姿态变化作为有用信号来跟踪，而不是滤除。基于该思想，提出了3种晃动基座初始对准算法，它们分别是：强跟踪平方根无迹Kalman滤波、4阶量测Kalman滤波和优化极点的罗经对准。试验数据表明，这三种算法都可以完成晃动基座的初始对准，其中强跟踪平方根无迹 Kalman跟踪性能最强，罗经对准跟踪能力最弱。晃动基座初始对准试验数据和跑车数据均表明，4阶量测Kalman滤波和优化极点的罗经对准可以在180 s内完成全部对准过程，对准精度可以满足工程实用要求。
　　(5)在分析几种常见罗经极点配置方案及其对准性能基础上，将一个二阶振荡环节和一个临界阻尼环节相串联，把4个极点配置在同一个圆上，得到一种新的极点配置方案。采用车载晃动对准数据和风扰条件的车载导航数据，比较了不同极点配置的对准效果。试验说明，新的极点配置方案可以跟踪载体低频姿态角波动，在180 s内完成激光捷联惯性导航系统对准过程。通过相平面分析，指出罗经对准具有大失准角对准功能。车载试验证明，罗经对准可以在180°大失准角情况下，不经过粗对准直接进入精对准，并在300 s内完成对准过程；
　　(6)分析了动态姿态测量系统在时间对准和时间同步上的特殊要求，推导了相位滞后导致的姿态测量误差计算公式。指出造成动态姿态测量系统输出相位滞后的主要原因是数字滤波器和零阶保持器，并确定了动态姿态测量系统的姿态时间滞后量。提出了一种通用实时相位滞后补偿方案，采用复杂可编程逻辑器件设计状态机，进行移相操作，同时解决了动态姿态测量系统的时间同步和相位补偿问题。利用激光干涉仪和单轴转台，给出一种动态姿态精度鉴定方法。采用带同步功能的三轴转台进行了精度鉴定试验，试验结果说明，该动态姿态测量系统在10 min三轴摇低频摆条件下，动态姿态测量精度达到20″左右，实现了本文预期精度。

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第一章 绪论

1.1 课题研究目标、背景和意义

1.2 惯性技术发展历程及其现状

1.3 惯性姿态测量技术

1.4 高精度DAMS关键技术

1.5坐标系定义

1.6 论文研究内容

第二章 激光陀螺信号分析与处理

2.1 激光陀螺工作原理及其误差特性分析

2.2 激光陀螺在导航频率下的噪声特性

2.3 多凹点滤波器在LINS中的应用

2.4 对高精度LINS采样频率的讨论

2.5 本章小结

第三章 圆锥误差补偿

3.1 圆锥运动与SINS的圆锥误差

3.2 圆锥误差补偿算法

3.3 DAMS姿态更新算法选择与试验验证

3.4 提高姿态更新频率

3.5 小结

第四章 温控与温补相结合的LINS快速启动技术

4.1 加速度计温度控制

4.2 激光陀螺温度补偿

4.3 精度验证

4.4 本章小结

第五章 LINS晃动基座初始对准

5.1 STSR-UKF对准

5.2 基于姿态跟踪的Kalman滤波对准

5.3 晃动基座的罗经对准及其极点配置

5.4 大失准角的罗经对准

5.5 几种对准算法的跟踪能力对比

5.6 本章小结

第六章 动态姿态测量系统的实现

6.1 DAMS对LINS的特殊要求

6.2 时间对准与同步

6.3 DAMS的硬件实现

6.4 DAMS动态姿态精度鉴定

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间的专利申请情况

攻读博士学位期间科研情况

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