捷联惯导系统SINS敏感器斜向配置技术

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1、文章编号:1005-6734(2005)02-0010-04捷联惯导系统（SINS）敏感器斜向配置技术朱奎宝，张春熹，宋凝芳（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100083）摘要：以四个敏感器的冗余系统为例，对釆用冗余敏感器，对四个敏感器构成的捷联惯导系统的可靠性进行了仿真实验统可靠性结论的正确性。文中给出非正交敏感器测量值向惯导换矩阵.最后对冗余敏感器的配置方式进行了分析.通过仿真件.关键词：捷联惯导系统；敏感器；可靠性；冗余系统中图分类号：U666.1文献标识码：ARedundantInertialInstrumentsConfigu

2、rationforSINSZHUKui-bao,ZHANGChun-xi,SONGNing-fang（DepartmentofInstrumentScience&opt_electronicEngineering,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083,China）Abstract：TheauthoranalyzesthereliabilityofSINSandsimulatesSINSbasedontheSINSwithfourredundantinertialins

3、truments.ItisprovedthattheredundantinertialinstrumentscanimprovethereliabilityofSINS.Theauthorpresentsanewmethodconvertingthemeasurementsfromthenon-orthogonalframetotheorthogonalframe.Finallytheresultoftheoptimalconfigurationofredundantinertialinstrumentsisproved.Keywords:SINS

4、;sensor;reliability;redundantinertialinstrument0前言捷联式惯性导航系统（SINS）中的惯性测量组件（以下简称IMU）,一般只需安装必需的最少个数（3个）的陀螺和加速度计⑴。因此，只要一个敏感器发生故障，IMU就不能使用，可靠性不高。为了提高捷联式惯性导航系统（SINS）的可靠性，考虑两种方法：1）提高敏感器单表的可靠度，以降低故障发生率；2）通过增加敏感器的个数，构成冗余系统，增加敏感器故障容许的次数⑴。本文釆用后一种方法（敏感器冗余），以釆用4个敏感器构成的系统为例，分析冗余敏感器惯导系统可靠性，给

5、出可靠性的计算方法。通过仿真，确定了兀余系统敏感器的最佳配置条件。1冗余系统可靠性分析1.1敏感器配置形式敏感器的安装大致可分成两种：在正交的3个轴（x、八z）向上的垂直安装和非垂直安装。垂直安装最常用的方式是仪表的敏感轴在笛卡儿参考系中相互正交。这样的仪表配置可直接测得角速率和比收犒日期：2005-01-12作者简介：朱奎宝（1973—），男，北京航空航天大学仪器与光电学院博士生，从事导航、制导与控制研究。万方数据力在三个相互正交轴上的分量，为捷联计算提供所需的信息。非垂直安装,如果测量值可表示为导航系统所需的角速率和比力的正交分量的线性无关组合

6、，就有可能将仪表安装成其指向。以4个敏感器为例,介绍冗余系统敏感器的安装形式⑴，如图1〜4所示。图中a为敏感器的安装角，Zy(j=l-4)为敏感器轴向的单位矢量，丿•表示敏感轴的排列顺序。各系统的乙和相互正交的坐标系的坐标轴乙、J、i向的关系式如式(1)(2)(3)所示：=cosa,iAux=(V2/2)sina(屮2=<2・「z~h“z=cosayix“x=-2(2*ix=-2(3•Zy=-sina(2)<2“y=-<3%=~(>/3/2)sina■ij*iz=cosa(丿=1〜4)ifix=k“戶2血/2)sina•(3)=6“y=14%=-(

7、72/2)sina1.2可靠性分析单纯从可靠性方面分析，非垂直安装比垂直安装可靠性好，如将4个敏感器互不垂直安装，任意一个敏感器出故障，系统仍可以工作。如果4个敏感器垂直安装，每个轴只安装一个敏感器，若这个敏感器出故障，就不能作为IMU使用。在飞行过程中，惯性敏感器一旦发生故障，就不能修理。平均无故障时间〈可用MTTF表示。敏感器存在着早期、偶然和磨损三个故障时期，在偶然失效期时使用，其失效率A(=l/Q一定⑵。根据可靠性理论，单个敏感器可靠度如式(4)所示：在由具有同一可靠度凡的力个敏感器组成的系统中，任意”个敏感器">耐发生故障，系统可靠度心如

8、式(5)所示：因此，釆用3个敏感器的常规IMU和采用4个敏感器的冗余的IMU,允许敏感器发生故障的个数分别为0和1,两类系