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冗余式捷联惯导系统旋转调制方法：原理、应用与优化

一、引言

1.1研究背景与意义

惯性导航系统（INS）作为一种自主式的导航系统，凭借其无需依赖外部信息、不受外界干扰且能实时提供载体的加速度、速度、位置以及角速度、姿态等信息的显著优势，在海洋、航空、航天、陆地交通、军事制导等众多领域发挥着不可或缺的作用。在现代战争中，武器装备对高精度导航的需求极为迫切，惯性导航系统的精确性和可靠性直接影响着作战的成败。例如在导弹精确打击任务中，惯性导航系统需确保导弹准确命中目标，这对其精度提出了极高要求。在民用领域，如自动驾驶汽车，高精度的惯性导航系统能够辅助车辆精准定位，提高行驶安全性和自动驾驶的可靠性。

捷联惯导系统（SINS）作为惯性导航系统的一种典型形式，具有高精度、高可靠性、小体积、轻重量等特点，已成为众多领域的基础设备，广泛应用于飞行器、潜水器、导弹、卫星和轨道飞行器等。相较于传统的平台式惯性导航系统，捷联惯导系统摒弃了复杂的机电稳定平台，将惯性传感器直接固连在载体上，通过计算机解算来完成导航任务，不仅降低了系统的体积和重量，还提高了可靠性和维护便利性，同时降低了成本。以航空领域为例，捷联惯导系统在飞机上的应用，使得飞机的导航系统更加紧凑和高效，为飞机的飞行安全和性能提升提供了有力支持。

然而，捷联惯导系统在实际应用中仍面临诸多挑战。其中，惯性传感器自身存在的噪声、温度漂移、零偏等误差问题尤为突出。这些误差会随着时间的推移在导航解算过程中不断积累，最终导致导航成果的误差越来越大，严重降低导航精度。在长时间的航海导航中，惯性传感器的误差积累可能使船舶偏离预定航线，增加航行风险。据相关研究表明，对于一些精度要求较高的应用场景，如航天飞行器的精确轨道控制，传统捷联惯导系统的误差积累可能导致飞行器无法准确到达预定轨道，影响任务的顺利完成。

为了解决捷联惯导系统的误差问题，众多学者和研究人员开展了大量研究，提出了多种误差补偿技术。其中，旋转调制技术作为一种有效的误差补偿方法，受到了广泛关注。旋转调制技术通过驱动惯性测量装置相对某一固定坐标系（一般为载体坐标系）进行周期性旋转，使得与旋转轴正交方向的缓变误差被调制成整周期积分为零的周期变化形式，进而通过积分实现对缓变误差的自补偿，显著提高惯性测量装置的测量精度。以某型号的旋转调制式捷联惯导系统为例，在采用旋转调制技术后，其导航精度相比传统捷联惯导系统提高了数倍，有效满足了高精度导航的需求。

此外，在一些对可靠性要求极高的应用场景中，如载人航天、深海探测等，单一的捷联惯导系统可能无法满足任务的可靠性要求。一旦系统出现故障，可能会导致严重的后果。因此，冗余式捷联惯导系统应运而生。冗余式捷联惯导系统通过增加惯性测量单元等硬件设备，采用冗余配置的方式，提高系统的可靠性和容错能力。当某个惯性测量单元出现故障时，其他冗余单元可以继续工作，保证系统的正常运行。然而，冗余式捷联惯导系统的旋转调制方法相较于普通捷联惯导系统更为复杂，需要综合考虑多个惯性测量单元之间的协同工作以及误差补偿等问题。

综上所述，深入研究冗余式捷联惯导系统的旋转调制方法具有重要的理论意义和实际应用价值。一方面，通过对旋转调制方法的研究，可以进一步揭示捷联惯导系统误差产生的机理和传播规律，为误差补偿技术的发展提供坚实的理论基础；另一方面，研究成果将有助于提高冗余式捷联惯导系统的精度和可靠性，满足航空航天、航海、军事等领域对高精度、高可靠性导航系统的迫切需求，推动相关领域的技术进步和发展。

1.2国内外研究现状

在国外，冗余式捷联惯导系统旋转调制方法的研究起步较早，取得了一系列具有代表性的成果。美国在该领域处于世界领先地位，其研发的多款高精度冗余式捷联惯导系统已广泛应用于航空航天、军事等关键领域。例如，某型号的冗余式捷联惯导系统采用了先进的多轴旋转调制技术，通过优化旋转方案和控制算法，有效抑制了惯性传感器的误差，使系统的导航精度达到了极高的水平，在长时间的飞行任务中，位置误差控制在极小的范围内，为飞行器的精确导航和控制提供了可靠保障。

欧洲的一些国家，如德国、法国等，也在冗余式捷联惯导系统旋转调制技术方面开展了深入研究。德国的研究团队在旋转调制算法的优化方面取得了重要进展，提出了基于模型预测控制的旋转调制策略，该策略能够根据系统的实时状态和误差特性，动态调整旋转参数，进一步提高了误差补偿效果。法国则在硬件设计和系统集成方面具有独特优势，研发出了结构紧凑、可靠性高的冗余式捷联惯导系统，其旋转调制机构的设计巧妙，能够实现高精度的旋转运动，同时降低了系统的功耗和体积。

在国内，随着对惯性导航技术需求的不断增长，冗余式捷联惯导系统旋转调制方法的研究也受到了高度重视。众多高校和科研机构积极投入到相关研究中，取得了丰硕的成果。一些高校通过理论研