基于微惯性2f多普勒的组合导航方法的研究

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1、第1章绪论1．1课题研究背景及意义随着现代微电子与微机械加工工艺的迅猛发展，微机电系统(MEMs，microelectronicmechanicalsvstem)以其体积小、功耗低、价格便宜、可靠性高、功能强大等优点在国民经济的各个领域发挥着越来越重要的作用。而基于MEMS技术的微惯性器件同样以其独特的性能优势在惯性技术领域掀起了一场新的技术风暴，引起了一场新的技术变革。与传统的惯性导航系统相比，采用微惯性器件组成的惯性系统不仅体积大大减小、功耗大大降低，最重要一点是具有极大的价格优势【l。3J。MEMS技术的出现，为惯性技术的普及应用，为惯性技术更好的服务于人类奠定

2、了物质基础。未来的世纪是海洋的世纪，随着人类海洋探索活动的日益升温，各种AUV探测系统必将得到广泛、大量的应用。而惯性导航系统以其独立自主的工作方式、导航信息全面、不受环境限制的特点一直以来都是海洋探索装置的一种重要的、最佳的的导航设备。然而，高精度的惯性导航装置价格昂贵，又往往限制了惯导系统的广泛应用，MEMS惯性技术的出现为未来惯性技术在AUV领域的广泛应用带来了希望。由于微惯性器件在精度及稳定性方面存在较大问题，加之惯性系统本身定位误差随时问积累，因此尚不能独立构成惯性导航系统供AUV进行水下导航定位。考虑到多普勒计程仪具有自主导航、反应速度快、使用方便、隐蔽性

3、和抗干扰性好、测速精度高且水下工作的特点，可以预见基于MEMS的SINS／DVL组合导航技术将会成为AUV导航系统非常理想的选择一J。目前，世界主要海洋、海军强国已经开始了MEMS惯性技术在AUV导航领域的技术研究，通过与多普勒计程仪、磁强计、压力传感器等设备构成组合导航系统，已经取得了一定的成果。随着MEMS惯性器件的精度不断提高，基于MEMS技术的微惯性组合导航系统在AUV导航领域必将拥有广阔的前景，能够大大拓宽AUV的应用领域，之余军用及民用都有重要的战略意义。1．2微惯性测量器件的发展概况自从20世纪70年代微惯性测量器件相继被研制成功并获得具体应用以来，微惯

4、性测量器件得到了长足的发展和进步，得益于惯性导航系统体积微型化、价格低廉化的广泛需求，微惯性技术正成为继光学陀螺技术之后在惯性领域掀起的又一轮新技术变革。由于其广阔的应用前景，微惯性技术一直以来都受到了世界各主要军事、科技强国的重视。20世纪80年代末，美围、日本、欧洲等国家纷纷加大投资力度进行微惯性技术的研究，经过20多年的发展，美国在该领域已经处于绝对领先的位置，日本、欧洲等国家也已经具备了相当高的研究水平。微惯性技术已经日趋成熟，取得了一系列的研究成哈尔滨工程大学硕士学位论文果，在军事及民用领域得到了广泛的应用[5—71。根据实现原理的不同，微陀螺可以分为哥氏加

5、速度效应微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、悬浮转子式微陀螺、微集成光学式陀螺以及原子陀螺。其中，微振动陀螺仪是最先发展起来的，也是目前应用最为成熟的微陀螺。随着MEMS加工工艺技术的不断进步，微惯性器件的性能不断提高，体积不断减小。饿@瓣VS昏2VSGt3VS文4VS@5’995199820052。10图1．1SiliconsensingsystemsLtd五代微振动陀螺仪世界上著名的MEMS惯性器件研究机构有Dr印er、JPL、Litton、Honeywell、BEI、ADI、Ime90等。目前，已经研发出了大量典型的具有中等精度水平的MEMS陀螺仪，然而由于工艺的

6、加工精度以及设计原理的局限性，还远没有以达到惯性级的表现，大多数商业应用也只是局限在提高速率级MEMs微陀螺的指标。只有美国的Draper实验室和JPL实验室等极少数的几个组织，研究成功了真正达到战术级的陀螺仪。下图所示为JPL的苜蓿叶式微陀螺，采用纯硅结构偏置稳定性为10。／ll；采用混合式结构偏置稳定性为0．10m，随机游走为O．080瓜，工作温度．55～85℃零位重复性1400／11。图1．2JPL苜蓿叶式微陀螺预测，MEMS陀螺性能极限约在0．01度／小时，不同级别陀螺的性能指标如表1．1所示。2口鬻口第1章绪论表1．1不同级别陀螺性能指标性能指标速率级战术级

7、惯性级零漂／(o．办一)10～1000O．1～10<0．01随机游走／(o·矗：)>O．5O．5～0．05<0．001标度因子／％0．1～1O．01～O．1<0．001最大输入角速度／(。．s。1)50～1000>500>400lms内承受最大冲击／(g·s)103103～104103带宽／勉>70约100成本嗨50～1000010000～50000>100000应用范围照相机、医学商业姿态航向商用／军用飞仪器、游戏、参考系统、制机、船舶、汽车等导弹药等航天器等相对于MEMS陀螺来说，MEMS加速度计技术相对较成熟，目前可见的最高精度有ug量级，其典