机载、航电专题08 机载惯导系统动态误差分析及旋转抑制.pdf

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1、中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题08机载惯导系统动态误差分析及旋转抑制研究练军想吴文启吴美平胡小平国防科技大学机电工程与自动化学院自动控制系313室湖南长沙410073摘要基于现有1海里/小时的标准航空惯导系统，采用误差旋转抑制技术，可以显著提高机载惯性导航系统的性能。针对配置旋转机构的惯导系统，通过建立线性时变的状态空间模型，对转动条件下的导航误差进行了分析，推导了单向旋转和往复旋转条件下，由陀螺漂移激励的导航误差的解析表达式。利用线性系统的可加性原理，对惯性导航旋转误差抑制问题进行了研究，分析了转动对于

2、其他误差源的抑制可行性。此外，还指出了转动条件下的误差谐振旋转频率。通过设计仿真模型，对比了静态和转动条件下的导航误差，表明：惯性导航动态误差分析导出的结论合理，为高精度旋转型航空惯导系统的设计、规避共振频率方面，提供了有益的理论指导，为大型飞机的高精度惯性导航系统设计、研制作技术储备。关键词时变系统惯性导航误差抑制旋转1引言惯性导航是唯一不必依赖外部信息的自主导航系统，因而具有隐蔽性好、不受外部环境条件限制等优点。在航空导航领域，以GPS、“北斗”系统为代表的卫星导航发挥着前所未有的重要作用。但是，考虑到战时特殊环境

3、以及卫星导航易受干扰和攻击等弱点，对于需要长距离、长时间隐蔽航行的大型军用运输机、战略轰炸机而言，高精度的机载惯性导航系统仍然是必不可少的核心导航设备。目前，国内中等精度航空惯导（1海里/小时）的关键器件技术和系统集成技术已日臻成熟，但仍不能满足大型飞机长航时、远距离的导航需求。开发更高精度的惯导系统需要战略级的惯性器件，相应地，研制成本也会显著增长。如何利用当前现有的导航级惯性器件，在不增加器件成本的条件下，从改进系统集成技术方面入手，开发能满足大型飞机长航时导航需求的惯性导航系统，具有重要的军事应用意义。本文就此问

4、题开展研究，讨论了捷联惯导误差的旋转抑制问题，推导了单向和往复旋转条件下受陀螺漂移激励的导航误差解析表达式，并给出了仿真结果。分析表明，利用现有的1海里/小时的标准航空惯导，设计合理的转动方式，可以显著提高惯性导航的定位精度。2旋转条件下惯性导航动态误差分析2.1惯性导航动态误差模型[1,2]在惯性导航领域，通常都采用静态误差模型开展研究。采用静态误差模型的目的是为了获得定常的系统模型，以便于简化求解过程，降低分析难度。然而，实用的惯导系统都是为了测量运动[2,载体的姿态、速度和位置等导航参数而设计的；此外，特定的旋转

5、运动还有可能抑制惯导误差发散3][4,5]，有文献对此给出了简略的分析，详细的误差转动抑制机理，没有发现公开的研究结果。简单的静态定常模型不能满足惯性导航误差分析的要求的情况下，需要考虑采用时变的动态误差模型进行分析。捷联惯导姿态误差方程和速度误差方程：hhhh"nnnhbψ=−ω×+ψδω−Cδω(1)ininbib1中国航空学会2007年学术年会机载、航电专题08hh"hhnnhhhnhhnnnhbhδVf=×−+×−[](ψ2ωω)δV(2δω+×+δω)VCfgδ−δ(2)ieenieenb坐标系定义为：n表示

6、当地水平地理坐标系（NED），b表示载体坐标系（xyz），i表示地心惯性坐hThT标系，表示地球系。其中，eψ=[δαδβδγ]为三个姿态角误差，δδδδVVVV=[]NED为北东地三个方向的速度误差。考虑由北向和东向组成的水平通道，不妨代表性地选择由x陀螺漂移（ε）x激励的导航误差变化特性。依据定常模型，文献[2]分析了静态条件下导航误差受陀螺漂移影响的问题，但是没有建立时变模型，也没有对动态误差进行研究。现假设惯性测量组合绕垂直轴以恒定角速度ω旋转，研究转动条件下导航误差受ε影响的变化关系。γx根据(1)式和(2)

7、式，略去垂直通道，假定初始时刻载体系与导航系重合，不考虑其他惯性器件误差和地球误差，只分析陀螺常值漂移ε影响，转动条件下，可以建立如下齐次、线性、时变状态空x间模型：⎡⎤δα"⎡⎤0s−Ωin01LR/cos(ωt)⎡δα⎤γ⎢⎥δβ"⎢⎥Ω−−sinLR01/0sin(ωt)⎢δβ⎥⎢⎥⎢⎥γ⎢⎥⎢⎥δV"N=⎢⎥00gL−Ω2sin0⎢δVN⎥(3)⎢⎥δV"⎢⎥−ΩgL02sin00⎢δVE⎥E⎢⎥⎣⎦ε"x⎢⎥⎣⎦00000⎢⎣εx⎥⎦2.2线性时变模型的分析和求解[6-8]根据微分方程理论，如果系统矩阵的乘积

8、满足交换律，即A()()tAt=AtAt()()，齐次方程的1221状态转移矩阵可表示为t∫Ad()ττφ(,)tt=et0(4)0[9]否则，如果A()()tAt≠AtAt()()，根据VolterraⅡ型积分方程的递推解法，1221ttττ11tτ2φ(t,tIA)=+(τ)dAAτττ+()()dτdAAAττττ+()()