mems惯导系统标定补偿技术及导航姿态算法的研究

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1、第1章绪论第1章绪论1．1课题的来源本课题来源于某预研课题，该课题采用国产惯性器件研制微机械惯导系统。该惯导系统体积小、成本低，功耗低，中低精度，可实现与GPS的组合导航。近年来，战术导弹、远程制导炮弹／火箭弹、制导炸弹、火控系统、鱼雷、小型无人机、微小卫星对其上使用的微小型惯导系统的需求越来越迫切，采用微机电(MEMS)惯性器件构建低成本、高性能的微小型惯性系统正在成为当前惯性技术领域的一个研究热点。MEMS惯性导航系统不仅是未来惯性导航系统的发展方向，也是目前军事武器装备发展的现实需求【1。21。军事武器装备发展对惯性技术产品的需求主要

2、表现为以下三点。1)未来战术武器对低成本、小体积、中高精度惯性导航和控制的需求各类军事未来战术武器对导航系统的要求为启动时间短、动态范围大、抗强冲击和振动、中高等精度、较小的体积和重量、使用维护简便、性能保证期长等。各类战术级水中惯性导航系统，对陀螺精度要求为(0．05～0．01)。／tl，属于高端微机械陀螺的应用领域，在不久的将来即可实现。2)现役战术武器对低成本、小体积、低中精度惯性导航和控制的需求当前，部分现役武器型号的改造升级以及武器小型化、低成本、精确制导化及大批量装备需要对微惯导系统提出了迫切的作战需求。以中、短程导弹及制导弹药

3、为代表，对惯性技术产品需求特点为：启动时间短、动态范围大、抗强冲击、中高等精度、较小的体积和重量、低成本、大批量。无人机用惯导系统对陀螺的典型要求为：小体积、低成本、低功耗、精度为(10，---,30)。／h。3)未来战略武器对低成本、小体积、高精度惯性导航系统的需求以长航程(1000km以上)巡航导弹、核潜艇为代表的战略武器，对微惯导系统的需求极为迫切。经过多年发展，以传统机械、激光、光纤为代表的惯性系统基本满足上述要求，但在成本、体积、恶劣环境适应性等方面仍显不足，尤其成本高一直是制约精确制导武器大量装备与使用的关键问题之一。以微电子和

4、微机械加工工艺为基础制造的各种微机械仪表和系统，具有成本低、体积小、功耗低、抗恶劣环境能力强、易大批量生产等显著特点，是继传统机械和光学惯性仪表之后，未来二十年惯性技术的主流发展方向，涵盖了战术到战略级几乎全部的应用领域，为降低机上设备乃至武器系统的成本提供了可靠的技术保障和实现途径，符合军事武器装备的发展需求【3。5J。哈尔滨工程大学硕士学位论文可见微惯导系统的研究具有重大的军事意义。综合国内外的调研结果，MEMS惯导系统的关键技术有以下几种：a)组合算法：目前MEMS陀螺的精度较低，工作短时间后很快会使导航误差发散很大。如要满足无人机等

5、长时间飞行的需要，微惯导系统需借助外界辅助信息，如GPS卫星定位系统，修正惯导系统误差，使导航姿态精度满足无人机要求，因此导航姿态算法是微惯导系统的关键技术之一。在提高MEMS惯性系统精度方面，应重点发展基于MEMS惯性系统的组合系统，在目前大幅度提高惯性传感器存在很大困难的情况下，发展组合系统是一条快捷和经济的道路，而其他导航定位技术的发展也为组合技术的实现提供了可能。常用的方法有捷联惯性系统与GNSS(GPS、GLONASS、Galieo、北斗)、地形匹配、：景象匹配、重力匹配、星光匹配等组合方式。诺格公司、Honeywell公司等研制

6、的MEMS惯导系统，普遍采用惯性／卫星紧组合技术，部分产品已初步采用深组合技术，并将惯性／卫星深组合技术作为美国下一代导航系统的核心和重要特征。结合我国北斗卫星定位系统的研制和发展，MEMS惯导系统的研制应加大力度研究MEMS惯导系统的紧组合和深组合技术，加强核心组合算法的研究、验证和应用力度；b)导航计算机技术：导航计算机是捷联惯性系统的控制中心，主要完成系统的数据处理与计算。近年来，随着科学技术的不断进步，导航技术向：着多传感器、多信息融合的方向发展，武器装备也向着小型化、高性能、高可靠性的方向发展，这对导航计算机提出了更高的要求。导航

7、计算机系统设计的更加方便、快捷，促进导航系统向高性能、实时性、小体积、低功耗、低成本的方向发展，具有重要的意义和军事、民用价值。嵌入式微小型导航计算机系统，是目前导航计算机发展的趋势。随着应用对象对惯性及组合导航系统在体积、功耗、成本、可靠性方面的要求越：来越高，尤其在现代武器的发展过程中，一些战术武器(如战术导弹、鱼雷制导、火箭弹等)对导航系统的体积和重量都有很大的限制，由于在这些武器装备里面能够利用的空间和重量十分有限。近年来，国外主要捷联惯性系统产品均采用嵌入式微小型导航计算机系统，而国内捷联产品也从过去的加固型计算机向嵌入式微小型导

8、航计算机系统方向发展，如基于DSP、FPGA、CPLD技术设计的导航计算机系统能够满足导航计算机高精度、高可靠性、低成本、小型化的要求。综合所述，导航计算机的发展趋势是：采用嵌入