基于半球谐振陀螺仪姿态测量系统的研究

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1、国内图书分类号：V249.32+8学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工学博士学位论文基于半球谐振陀螺仪的姿态测量系统研究博士研究生：谢阳光导师：王常虹教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2013年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249.32+8U.D.C:681DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONATTITUDEMEASUREMENTSYSTEM

2、SBASEDONHEMISPHERICALRESONATORGYROCandidate：XieYangguangSupervisor：Prof.WangChanghongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：Sept.,2013Degree-Conferring-Institution：

3、HarbinInstituteofTechnology摘要摘要半球谐振陀螺以其精度高，稳定性强，可靠性高，抗冲击性良好，抗辐射能力卓越以及寿命长的特点，非常适合在空间飞行器等长时间工作场合使用。开展基于半球谐振陀螺的长寿命姿态测量系统的研制，将对我国空间技术的发展，特别是长寿命卫星的工程实施，有着极其深远的意义。本文以研制基于半球谐振陀螺的高性能姿态测量系统为目的，针对制约系统性能的关键技术进行了深入研究。其中关键技术包括：半球谐振陀螺漂移机理及补偿技术、惯性姿态测量系统初始对准技术、基于半球谐振陀螺与

4、星敏感器的组合姿态测量系统技术等。具体研究安排如下：在惯性器件级层面，由于半球谐振陀螺的漂移是系统的最大误差源，因此开展参数漂移的机理、建模和补偿研究是提高系统性能的最有效手段。针对陀螺漂移，开展了两种误差源的研究：其一，研究了陀螺表头结构误差对陀螺性能的影响。表头结构误差主要通过影响振动检测系统及激励系统而导致陀螺漂移，为此首先对拾振器结构及电容间隙变化等问题深入研究，结合谐振子二阶谐振状态下形变的动力学方程，建立了半球谐振陀螺振动检测系统仿真模型。同时，通过对多电极作用下谐振子的动力学特性研究，以及

5、对振幅控制系统与振型角控制系统的耦合分析，建立了半球谐振陀螺激励系统仿真模型。然后将表头结构误差引入到振动检测系统及激励系统的仿真模型中。通过仿真研究，对表头结构误差中的可标定误差提出了标定补偿方法，对不可标定误差给出了定量评估的模型，为表头加工和装配精度指标的确定提供了理论依据。其二，研究了加速度作用下半球谐振陀螺的漂移机理。首先通过求解谐振子的动力学方程，给出了低频加速度作用下谐振子变形的解析形式。其次完成了谐振子变形对半球谐振陀螺振动检测系统及激励系统的影响分析，最终提出了一种能够极大减小加速度对

6、陀螺影响的振动检测方案与谐振子激励方案。并建立了加速度导致陀螺漂移的静态误差模型，通过半球谐振陀螺在重力场中的翻滚试验给予了验证。通过对试验数据残差的进一步分析，给出了陀螺制造及装配的改进措施。在惯性姿态测量系统级层面，为提高系统初始对准精度，缩短对准时间，研究了大方位失准角静基座初始对准问题。提出了基于高斯-厄米特滤波器的初始对准方法。针对高斯-厄米特滤波器中的均值和协方差阵的多元非线性高斯积分求解问题，利用初始对准误差方程的非线性是由大方位失准角导致的特点，将高维积分转化成一元数值积分，在不损失精度

7、前提下，解决了高斯-厄--I哈尔滨工业大学工学博士学位论文米特滤波器在对准应用的“维数灾难”问题。将此算法用于实际系统，对比于扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波方法，结果表明在大方位失准角条件下，提高了对准精度，缩短了对准时间。在组合系统级层面，研制了基于半球谐振陀螺与星敏感器的组合姿态测量系统。为解决当观测到的导航星数量小于3颗时松组合系统无法进行数据融合的问题，提出了基于惯性姿态测量系统的快速星图识别方法，给出了基于HRG与星敏感器紧组合姿态测量系统的构建形式和滤波方法。最后系统测试表明，紧组合系统使得

8、上述问题得到了较好的解决，增加了组合系统的全天域适应性。最终，将上述的一系列技术措施应用于课题所研制的基于半球谐振陀螺的姿态测量系统工程样机中，并通过以三轴转台为核心的半实物仿真平台的测试验证，所研制工程样机在精度、适应性及可靠性等方面都得到了较大提升，特别是精度性能达到了高精度卫星姿态控制系统的使用要求。关键词：半球谐振陀螺；陀螺漂移；加速度；初始对准；星敏感器--IIAbstractAbstractHemisphericalresona