光学陀螺旋转机构的误差自动补偿技术研究.docxVIP

光学陀螺旋转机构的误差自动补偿技术研究 0 旋转imu技术 为了执行长期的水下航行任务，需要高改进的导航信息。过去，高改进的机械螺钉通常被广泛应用于长期执行的应用中。为了提高整个系统的精确度, 需要通过系统级的误差补偿技术来提高导航精度, 同时采用一些精度增强技术。旋转IMU (inertial measurement unit) 技术属于系统误差自动补偿的范畴, 对于陀螺和加速度计中的慢变误差不需要进行辨识补偿, 可以通过旋转和翻滚IMU的技术来消除, 从而提高系统的长时间导航能力。国外的旋转式捷联系统目前一般采用双轴的转位结构, Sperry公司的船用惯性导航系统采用间歇转位技术 光学陀螺是基于Sagnac效应 旋转自动补偿技术在本质上是在转动周期内周期性的改变姿态矩阵, 使得系统中缓慢变化的误差在转动周期内均值接近零, 从而减小系统误差的积累, 提高导航精度。旋转方法还可以提高系统对准时的可观测度 1 旋转机构系统结构 旋转式光学陀螺捷联惯导系统包括惯性测量单元、旋转机构和导航解算处理计算机以及旋转机构控制计算机, 其系统结构如图1所示。IMU安装在旋转平台上, 旋转机构的转位序列由控制计算机完成, 导航计算机接收IMU数据和测角数据进行相应的导航解算。 由此可见, 与传统的捷联惯导系统相比, 增加了一个旋转坐标系到载体坐标系的方向余弦矩阵, 同时接受外部输入的旋转角速度, 旋转式捷联导航解算算法与普通捷联算法基本一致 1.1 初始之际旋转坐标系 首先定义如下坐标系:s坐标系为惯性器件坐标系 (旋转坐标系) , b坐标系为载体坐标系, n坐标系为导航坐标系, i坐标系为惯性坐标系, 初始时刻旋转坐标系与载体坐标系重合。 惯性元件敏感s系相对i系的三轴角速度和加速度信号。光学陀螺的误差模型包含启动零偏, 刻度因子误差, 未对准误差, 白噪声误差以及随温度变化的漂移误差 其中:ω 将式 (1) 和式 (2) 分别展开, 由此得到陀螺和加速度计的输出误差为 由光学陀螺构成的旋转自动补偿惯导系统, 其系统的误差传播方程可表示为 其中:Φ为数学平台失准角;δv为数学平台的速度误差;[ω 旋转机构就是用于改变C 1.2 东向,北向,天向 设定导航坐标系为东北天坐标系:三轴分别为e, n, u (东向, 北向, 天向) ;载体坐标系3轴为x, y, z (载体右侧, 载体前向, 垂直载体向上) ;外环轴旋转坐标系, 绕载体坐标系的一个轴旋转, 旋转角度为α, 三个轴分别为x 1.2.1 旋转消除误差的算法 由坐标系的定义, 则在双轴旋转时, 围绕陀螺轴的角速度可以表示为 其中:β和α为旋转矩阵;ω 由于陀螺刻度因数误差 (S 当把这些误差转换到地球参考坐标系时, 将变成 因此, 令矩阵 其中, W矩阵表示在载体坐标系与导航轴之间运动的相关误差矩阵。对于不同的双轴转动方法, 都可以从W矩阵得出如下结论: 1) (S 2) 所有的未对准误差系数能够在一个旋转周期里面得到消除, 其系数类似为sinα, cosβ或相互的乘积形式, 在一个周期里正负符号存在的时间相等, 在一个周期内积分为零。 当β=I, 即为单轴旋转的情况, 只有α这一个旋转矩阵, 则W矩阵变为 对于单轴旋转情形, 采用合适的旋转序列, 则有: a) (S b) M c) 其余的系数其符号随sinα或cosα周期改变, 可以在一个旋转周期里相互抵消。 由以上分析已知, 对称刻度因数误差不能外部旋转来自动补偿, 但是非对称的刻度因子误差可以通过外部旋转来周期改变误差符号, 可以消除这一项误差。假定z轴以正弦形式旋转, 由于陀螺存在非对称性刻度因数误差, 在α=0°时在+x方向产生一个正的漂移误差。当α=180°时, 陀螺可以认为是在-x方向, 由于非对称刻度因数误差的存在, 等同于在+x方向产生了一个负漂移误差, 因此在地理坐标下能够相互抵消。 在单轴旋转方案中, 非对称刻度因数误差在“水平轴”上得到消除, 但是在“垂直轴”上的非对称刻度因数误差不能被消除, 外部旋转角度率以及刻度因数误差在旋转轴上会引起较大的累积误差。而双轴旋转中所有轴上的非对称刻度因数误差都能得到消除。 1.2.2 旋转对缓慢位移误差的影响 传感器组件旋转坐标系中3个陀螺的常值漂移误差为[B 类似于B 1.2.3 双轴旋转误差的消除 旋转对随机漂移的影响只在单轴旋转状态下进行定性分析, 随机漂移分量n 随机漂移n 取平均值, 可得 由此可见, 经过旋转调制以后的漂移方差与调制前的漂移方差没有改善, 单轴旋转不能消除随机漂移。在双轴旋转中也是如此, 这是因为角度正弦变化的频率远远小于白噪声的变化频率, 旋转对快变误差量没有减小其变化幅值的作用。 通过比较式 (1) 和式 (2) 容易得知, 可以依据上述的