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基于单轴旋转的光纤捷联惯导系统误差特性与实验分析

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基于单轴旋转的光纤捷联惯导系统误差特性与实验分析

摘要：本文针对基于单轴旋转的光纤捷联惯导系统（INS）的误差特性进行了深入研究。通过对系统的理论模型进行建立和分析，揭示了系统误差的来源和传播规律。通过对实验数据的采集和分析，验证了理论模型的正确性，并对系统的误差特性进行了定量描述。本文还对系统误差进行了实验分析，提出了误差修正方法，并对修正效果进行了评估。研究结果表明，基于单轴旋转的光纤捷联惯导系统具有较高的精度和可靠性，为相关领域的应用提供了理论依据和实践指导。关键词：光纤捷联惯导系统；单轴旋转；误差特性；实验分析；误差修正

前言：随着现代科技的不断发展，惯性导航技术已成为军事、航天、海洋、交通等领域的重要技术之一。光纤捷联惯导系统（INS）作为一种高精度、高可靠性的惯性导航系统，具有体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点，在各个领域得到了广泛应用。然而，由于系统本身的结构和外界环境的影响，光纤捷联惯导系统在实际应用中仍存在一定的误差。本文针对基于单轴旋转的光纤捷联惯导系统的误差特性进行了深入研究，以期为相关领域的应用提供理论依据和实践指导。

第一章光纤捷联惯导系统概述

1.1光纤捷联惯导系统的工作原理

(1)光纤捷联惯导系统（INS）是一种集成了光纤陀螺仪（FGO）和加速度计（AC）的惯性导航系统。其核心工作原理是通过测量载体在空间中的加速度和角速度，结合积分运算和卡尔曼滤波算法，实现对载体姿态和位置、速度的实时解算。光纤陀螺仪利用光纤的光学特性，通过检测光在光纤中的旋转来测量角速度，具有高精度、高稳定性和抗干扰能力。加速度计则用于测量载体的线性加速度，通常采用压电式或电容式传感器，能够提供关于载体运动状态的重要信息。

(2)在光纤捷联惯导系统中，光纤陀螺仪和加速度计的测量数据首先经过预处理，包括滤波、校准和补偿等步骤，以提高数据的准确性和可靠性。预处理后的数据被输入到卡尔曼滤波器中，卡尔曼滤波器能够根据预先设定的数学模型和观测数据，对载体姿态、位置和速度进行实时估计。这一过程中，滤波器会不断更新状态估计值，并通过预测和观测误差的估计来优化滤波效果。

(3)光纤捷联惯导系统的工作流程可以概括为：首先，通过光纤陀螺仪和加速度计获取载体的角速度和加速度数据；其次，对数据进行预处理，包括滤波、校准和补偿等；然后，将预处理后的数据输入到卡尔曼滤波器中，进行姿态、位置和速度的解算；最后，将解算结果输出，供导航系统或其他应用使用。在整个工作过程中，系统会不断进行自校准和误差修正，以确保导航数据的准确性和实时性。

1.2光纤捷联惯导系统的组成

(1)光纤捷联惯导系统的组成相对复杂，主要由以下几个关键部分构成。首先是惯性测量单元（IMU），这是系统的核心部件，包括光纤陀螺仪和加速度计。光纤陀螺仪具有极高的测量精度，如某型号的光纤陀螺仪在1Hz频率下的角随机游走（ARW）可达0.005°/√h，这意味着在长时间测量中，陀螺仪的测量误差将非常小。加速度计同样重要，它能够测量载体在三个垂直方向上的线性加速度，如某型号的加速度计在1g加速度下的非比例误差（NPE）小于0.05%，保证了加速度测量的准确性。

(2)其次是导航计算机，这是系统的“大脑”，负责处理IMU收集的数据，并通过卡尔曼滤波算法进行姿态、位置和速度的解算。导航计算机通常采用高性能的嵌入式处理器，如ARMCortex-A系列，其处理速度可达到1.2GHz，足以满足实时导航计算的需求。此外，导航计算机还需要配备大容量存储器，如DDR3内存，容量可达2GB，用于存储算法模型、历史数据和导航结果。在实际应用中，如无人机导航系统，导航计算机需要处理大量的实时数据，确保导航的准确性和实时性。

(3)系统的第三个关键部分是用户接口（UI）和输出设备。用户接口包括显示屏、键盘和触摸屏等，用于向操作人员提供导航信息。例如，在舰船导航系统中，导航计算机通过显示屏向船员显示当前航向、速度、位置和预计到达时间等信息。输出设备如GPS接收机，用于接收地面卫星信号，提供高精度的位置和时间信息。此外，系统还可能包含数据记录器，用于记录导航过程中的关键数据，以便后续分析和回放。例如，在航空航天领域，数据记录器能够记录飞行过程中的所有关键参数，为飞行数据分析提供宝贵的数据支持。总的来说，光纤捷联惯导系统的组成是一个高度集成、功能丰富的系统，能够满足各种复杂应用场景的需求。

1.3单轴旋转光纤捷联惯导系统的特点

(1)单轴旋转光纤捷联惯导系统（SARINS）作为一种特殊的光纤