旋转调制式捷联惯导系统误差分析及仿真.pdf

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1、第28卷第3期青岛大学学报(工程技术版)Vo1．28No．32013年9月JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY(E&T)Sep．2013文章编号：1006—9798(2013)03—0069—06旋转调制式捷联惯导系统误差分析及仿真赵济民，董传恒(海军青岛航保厂，山东青岛266071)摘要：针对目前研究较为广泛的单轴旋转调制、双轴间歇转位旋转调制和双轴连续旋转调制3种旋转调制方案，本文通过系统级旋转自补偿技术，对被调制后的误差公式进行推导和分析，给出了各旋转调制方案的调制机理，并将3种旋转

2、调制方案在静态和动态条件下进行误差仿真实验，仿真结果表明，载体运动对双轴连续旋转调制方案的调制效果有较大负影响，即双轴间歇转位旋转调制效果较优。该研究可使捷联惯性导航系统的误差发散得到一定程度的抑制，是在现有元件水平不变的情况下提高系统精度的有效方法，可为相关系统的工程化研制提供理论参考。关键词：捷联惯导；旋转调制；误差分析；误差抑制；真分析中图分类号：U666．12文献标识码：A目前，消除误差积累影响，提高长时间工作惯导系统定位精度是惯性导航领域重要的研究课题。提高惯导系统定位精度一般有2种方法，一是提

3、高制造工艺，研制高精度新型惯性敏感元件(IMU)，但系统成本较高；二是通过合理的系统编排，采用误差补偿的方式提高惯导系统精度，这种方法可以以较小的成本投入获得较大的精度提高。捷联惯导旋转调制技术就是将现有精度IMU固定在旋转机构上控制其周期性旋转，将相应误差源调制成周期信号形式，从而在导航参数解算过程中得到均化。国外较早开展了相关领域的研究，美国Serry公司生产的MK39，MK49船用环形激光陀螺惯性导航仪，分别采用了单轴旋转和双轴间歇转位技术，后者因其高精度、高可靠性、低成本的优点被选为北约海军标准惯

4、导系统口-。]。国内相关研究单位对该问题的研究取得了一定科研成果]。国防科技大学研制了一种单轴旋转的激光陀螺惯导系统样机，并进行了相应的湖试和海试实验，系统实验情况及精度在王其等人的研究中有所提及；北京航空航天大学研制了双单元体单轴旋转惯导系统样机，后与618所联合研制了国内第一套双轴旋转激光陀螺捷联惯导系统；在旋转调制机理方面，袁保伦对不同转位方案做了深入研究。因此，本文分别对国内外常见的3种旋转方案进行了原理探讨，即单轴旋转调制、双轴间歇转位旋转调制和双轴连续旋转调制，并分别在静态和动态情况下对各方案

5、进行了误差仿真实验，结果表明，双轴间歇转位旋转调制效果较优。该研究为旋转惯导系统的设计提供了相关参考。1旋转调制式捷联惯导系统基本原理旋转调制式捷联惯导系统是通过旋转机构将IMU固定在运载体上，其基本原理同捷联惯导系统类似，只是多了一步参考系的坐标变换。旋转调制原理示意图如图1所示。其中，b系为载体坐标系；系为导航坐标系，对于舰艇导航一般为当地地理坐标系；5系为旋转坐标系，初始时刻S系与b系重合，S系随着旋转机构的转动保持正交旋转。未进行旋转调制时捷联惯导系统误差传播方程]，即姿态角误差方程为一一”+一C

6、一(EaKcj+[])-I-e-I-(1)收稿日期：2013—03—20作者简介：赵济民(1962一)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为航海导航。Email：zjm．2009@163．com7O青岛大学学报(工程技术版)第28卷载体图l旋转调制原理示意图速度误差方程为一尸”+，一(2：+)一(2乩+乩)广：(3KA+)广+△A+。(2)定位误差方程为一一兰+secLtanL(3)式中，cU2，为陀螺仪的实际角速度输出；￡和分别为陀螺仪的常值漂移和随机漂移误差；K＆为陀螺的刻度系数误差，其中，i=x，Y

7、，；为3个陀螺仪的安装误差角，其中，i—z，Y，；3K和分别为加速度计的刻度系数误差和安装误差角，其中，i=x，Y，z；△A和分别为加速度计的常值零位偏置和随机偏置。旋转调制系统的惯性测量组件固联在旋转机构上，因此，其输出为沿旋转坐标系S系的分量，在进行导航解算时需先将其投影到载体坐标系中，即∞s一C；cc，2，4-，一G厂(4)式中，为旋转机构预先设定的旋转角速率，被陀螺仪所敏感。则旋转调制式捷联惯导误差传播方程，即姿态角误差方程为=一n”+乩危一Cn6L／bD∞s乩五一([艿KG]+[])Gs叫b-t

8、-([KG]+[])+￡+72(5)速度误差方程为一广+CⅣ一(2cu：+∞)3v一(230~+乩量)=(3K^+)+△A+(6)由式(5)和式(6)可以看出，旋转调制的核心在于将调制成周期变化的量，使(z)和C(￡)在积分解算过程中得以均化，从而消除误差积累的影响，提高定位精度。本文将从的形式出发，以调制陀螺仪常值漂移为例介绍3种旋转调制方案的基本原理。2旋转调制方案2．1单轴旋转调制方案为避免因陀螺仪刻度系数误差将旋转角速