单轴旋转调制惯性导航系统研制方案设计报告

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1、单轴旋转调制惯导系统算法设计方案报告东南大学2014年11月23日24目录1.旋转调制研究背景12.国内外典型旋转式惯性导航系统22.1国外研究情况22.2国内研究情况43.单轴旋转误差自动补偿原理44.惯性器件误差自动补偿研究114.1惯性器件误差模型114.2标度因数误差引起的数学平台误差角度144.3随机游走分析174.4单轴旋转方式的确定及转动带来的影响185.综合仿真20241.旋转调制研究背景惯性导航是一种完全自主的导航技术，它依靠载体上安装的惯性器件通过导航计算机自主地完成导航任务，可以和外界不发生任何光、电联系。因此，隐蔽性好，工作不受环境

2、条件的限制。这一独特优点，使得惯性导航系统成为航空、航天和航海领域中的一种广泛使用的导航方法。惯性导航系统根据惯性测量单元在载体上安装方式的不同分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。平台式惯性导航系统中，陀螺和加速度计安装在稳定平台上，稳定平台通过框架与载体相连，建立一个与载体角运动无关的平台坐标系为加速度计提供基准。20世纪50年代末期捷联惯性导航系统（strapdowninertialnavigationsystem,SINS）被首次提出，它不需要稳定平台，直接将惯性测量单元安装在载体上，具有体积小、制造和维护成本低、可靠性高等优点，目前已经在中

3、、低精度领域基本取代了平台式惯性导航系统，正在向着高精度应用领域发展。尽管具有上述的突出优点，实现高精度的惯性导航存在着很高的技术难度。惯性导航是一种航位推算导航方法，它的基本原理如图1所示。根据惯性器件测量的线运动和角运动参数，得到姿态和速度，进而计算出载体的位置。在导航计算这一积分过程中，由惯性器件误差引起的系统误差会随着时间而增长。因此惯性导航的精度主要受惯性器件的精度制约。为了实现长时间、高精度的惯性导航，必须降低惯性器件输出中的各种误差因素引起的导航误差。图1惯性导航原理示意图惯性导航系统误差积累的速度主要由初始对准的精度、导航系统使用的惯性传感

4、器的精度以及载体运动的动态环境特性决定，因而长时间单独工作后误差会很快发散。为了获得可以长时间使用的高精度捷联惯导系统，解决的途径主要有三种：(1)提高惯性器件本身的精度。主要依靠开发新材料、新工艺、新技术来提高惯性器件的精度，或研制新型高精度的惯性器件；(2)24研究惯性导航系统自身的误差传播特性，为惯性测量单元设置某种特定运动方式(典型运动形式为周期性的旋转调制)，以抑制惯导系统各种误差因素所引起的导航误差；(3)采用组合导航方式，利用外部信息对惯性导航系统的传感器误差和导航参数进行估计和修正。本方案设计目标是挖掘光纤陀螺用于长时间导航的潜力，研究光纤

5、陀螺惯性导航系统的误差因素和补偿技术，设计一种基于单轴旋转的光纤陀螺惯性导航系统，以补偿陀螺漂移引起的导航定位误差。2.国内外典型旋转式惯性导航系统2.1国外研究情况光学陀螺是一种无机械转动的固态陀螺，适用于捷联惯性导航系统。但是光学陀螺零偏是引起惯导系统导航误差的主要因素，目前常规的捷联系统方案很难满足长时间高精度导航需求。旋转调制技术是一种惯性器件偏差自补偿方法，对惯性器件偏差进行调制，抵消器件偏差对系统精度的影响，能够提高捷联惯导系统长时间的工作精度。当前国外激光激光陀螺作为光学陀螺，从原理上不同于机电陀螺，是惯性导航系统的理想元件，结合旋转自动补偿

6、技术，发展成为一种新型的惯性导航系统，即激光陀螺旋转式惯性导航系统。现在已研制出激光陀螺旋转式惯性导航系统的国家有美国、英国、法国、俄罗斯等。在这些国家中，美国起步最早，花费力量最大，投资最多，新研制和改进的系统性能也最引人注目，具有代表性。下面分别介绍各种典型的激光陀螺旋转惯导系统。(1)AN/WSN-5L型船用环形激光惯性导航系统1984年，Litton公司在AN/WSN-5型液浮陀螺惯性导航系统的基础上，开始研制环形激光陀螺惯性导航仪。系统旋转部件具有1800°的活动度，工作时限于1440°，转台以±720°方式往返旋转，用以消除激光陀螺闭锁效应，提

7、高系统精度。该系统1993年装备了美国海军阿里·伯克级DDG64号导弹驱逐舰。(2)RLGN环形激光陀螺导航仪1985年，Rockwell国际公司研制的环形激光陀螺导航仪(RLGN)进行了海上实验和鉴定。系统采用单轴旋转方式，工作时IMU绕舰船龙骨轴连续旋转，转动顺序是在一个方向上以70°/s的额定速度转动6圈，然后反转6圈，这种正反转方式消除了环形激光陀螺的闭锁问题，同时还平均掉了环形激光陀螺和加速度计的误差在水平方向上的分量，其重调周期为100h。(3)PL41MK4型激光陀螺单轴旋转惯性导航系统PL4124MK4型激光陀螺单轴旋转惯性导航系统是Lit

8、ef公司为德国海军潜艇导航研制的产品，于1988年进行了海上试验。