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光纖陀螺旋轉慣導系統誤差抑制技術 版權信息
- ISBN：9787030712066
- 條形碼：9787030712066 ; 978-7-03-071206-6
- 裝幀：一般純質紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
光纖陀螺旋轉慣導系統誤差抑制技術 內容簡介
近年來，國內基于光纖陀螺的旋轉慣導系統研究廣受重視，并取得較大突破，其中基于光纖陀螺的旋轉慣導系統的旋轉策略、調制特性、誤差補償等系統技術研究引起了學者的廣泛研究興趣。本書以光纖陀螺及其旋轉慣導系統為背景，從光纖陀螺誤差特性分析與建模、旋轉慣導系統傳統誤差源的調制特性分析與標定、旋轉性誤差的分析與抑制、不同旋轉方案的誤差特性、旋轉慣導系統的誤差校正等方面展開研究，本書系統分析了光纖陀螺的誤差特性，提出了光纖陀螺的溫度漂移補償模型與隨機誤差的分析方法，系統梳理了旋轉慣導系統的誤差傳播理論，綜合分析了旋轉慣導系統傳統誤差源的調制特性，提出了旋轉慣導系統的優化雙軸旋轉方案，并在此基礎上，研究了實現高精度旋轉控制的算法，*后，從系統層面闡述了無外信息源條件下，系統振蕩性誤差的阻尼校正與狀態切換超調等誤差抑制技術。本書可作為大中專院校導航、制導與控制，儀器科學與技術等相關專業本科、研究生的教學輔導教材，同時可作為航海、航天、航空等導航專業的廠、所、部隊工程技術人員的參考書。
光纖陀螺旋轉慣導系統誤差抑制技術 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 光纖陀螺的發展歷程 2
1.1.1 國外光纖陀螺的研究 3
1.1.2 國內光纖陀螺的研究 4
1.2 旋轉慣導系統的發展 5
1.2.1 美國旋轉慣導系統的研究 5
1.2.2 國內旋轉慣導系統的研究 6
1.3 旋轉慣導系統的誤差研究 7
1.3.1 慣性器件誤差分析與建模 7
1.3.2 系統誤差參數的標定 8
1.3.3 系統誤差分析與建模 9
1.3.4 系統誤差補償與校正 9
1.4 本書內容概述 10
第2章 光纖陀螺誤差分析與補償 11
2.1 光纖陀螺簡介 12
2.1.1 薩奈克效應 12
2.1.2 光纖陀螺的原理及特點 13
2.2 光纖陀螺的溫度漂移建模與補償 14
2.2.1 溫度漂移機理 14
2.2.2 基于IUKF和神經網絡的溫度建模與補償 15
2.3 光纖陀螺的隨機誤差分析 26
2.3.1 阿倫方差局限分析 26
2.3.2 基于阻尼振蕩假設的經典方差分析及其前提 31
2.3.3 兩種分析方法的前提探討與合理解釋 33
2.3.4 基于混合分段的阿倫方差分析 35
第3章 旋轉慣導系統誤差特性分析與補償 41
3.1 坐標系及誤差描述 42
3.1.1 坐標系的定義 42
3.1.2 誤差的定義 43
3.1.3 旋轉軸運動及其誤差描述 45
3.2 捷聯式慣導系統誤差模型 46
3.2.1 導航基本方程 46
3.2.2 誤差方程 47
3.3 旋轉慣導系統誤差模型 47
3.3.1 誤差方程及誤差調制原理 47
3.3.2 不同旋轉方案的旋轉矩陣表示 49
3.4 旋轉慣導系統誤差分析 53
3.4.1 單軸旋轉慣導系統誤差分析 53
3.4.2 雙軸旋轉慣導系統誤差分析 57
3.5 系統旋轉性誤差分析 65
3.5.1 旋轉軸不正交誤差分析 65
3.5.2 器件測角誤差分析 65
3.5.3 換向超調誤差分析 67
3.5.4 轉速控制誤差分析 67
3.6 旋轉慣導誤差綜合仿真 68
3.6.1 常值漂移誤差仿真 68
3.6.2 刻度系數誤差仿真 70
3.6.3 安裝誤差仿真 72
3.6.4 隨機漂移誤差仿真 73
3.6.5 載體運動影響仿真 74
3.7 雙軸旋轉慣導系統的綜合誤差補償 77
3.7.1 雙軸旋轉方案的缺陷 77
3.7.2 綜合誤差補償方案 81
3.7.3 仿真與分析 85
第4章 系統設計與誤差標定技術 93
4.1 系統硬件技術 94
4.1.1 總體技術方案 94
4.1.2 系統硬件方案 95
4.2 系統軟件技術 98
4.2.1 電機控制與導航解算 98
4.2.2 顯控軟件 98
4.3 系統標定技術 99
4.3.1 誤差標定模型 100
4.3.2 傳統標定方法 100
4.3.3 基于雙軸轉臺的無北向轉停標定方法 104
第5章 系統旋轉控制技術 111
5.1 旋轉控制系統建模 112
5.1.1 三軸旋轉慣導系統的框架結構 113
5.1.2 IMU的絕對角運動分析 114
5.1.3 三軸力矩方程 115
5.1.4 系統控制建模與分析 117
5.1.5 仿真與實驗 119
5.2 常規PID控制算法及其實現 121
5.2.1 PID參數整定 123
5.2.2 仿真與實驗 123
5.3 基于反向電壓的混合PID控制算法 124
5.3.1 控制算法的設計與實現 124
5.3.2 控制參數設計 125
5.3.3 仿真與實驗 126
5.4 模糊控制算法的設計與實現 128
5.4.1 模糊控制器的原理 128
5.4.2 模糊控制器結構設計 129
5.4.3 模糊控制算法的實現 129
5.5 模糊自適應PID控制算法 132
5.5.1 算法結構設計 133
5.5.2 隸屬度函數設計 133
5.5.3 模糊規則設計 133
5.5.4 算法仿真及結果 135
5.6 航向耦合效應抑制算法 137
5.6.1 航向耦合效應的產生及影響分析 137
5.6.2 航向耦合效應抑制算法的實現 140
5.6.3 實測姿態數據驗證 141
第6章 系統阻尼校正技術 143
6.1 阻尼校正技術的實質及影響 144
6.1.1 阻尼校正技術的實質 144
6.1.2 阻尼校正技術的影響 147
6.2 水平阻尼網絡的設計與實現 149
6.2.1 阻尼網絡的設計 150
6.2.2 阻尼網絡的實現 153
6.2.3 仿真與實驗 155
6.3 阻尼狀態超調誤差抑制算法 159
6.3.1 誤差抑制機理 159
6.3.2 仿真 160
6.3.3 實測數據實驗 162
6.4 基于比例環節的阻尼校正算法 163
6.4.1 校正算法結構 163
6.4.2 仿真 164
6.4.3 實測數據實驗 165
參考文獻 168
第1章 緒論 1
1.1 光纖陀螺的發展歷程 2
1.1.1 國外光纖陀螺的研究 3
1.1.2 國內光纖陀螺的研究 4
1.2 旋轉慣導系統的發展 5
1.2.1 美國旋轉慣導系統的研究 5
1.2.2 國內旋轉慣導系統的研究 6
1.3 旋轉慣導系統的誤差研究 7
1.3.1 慣性器件誤差分析與建模 7
1.3.2 系統誤差參數的標定 8
1.3.3 系統誤差分析與建模 9
1.3.4 系統誤差補償與校正 9
1.4 本書內容概述 10
第2章 光纖陀螺誤差分析與補償 11
2.1 光纖陀螺簡介 12
2.1.1 薩奈克效應 12
2.1.2 光纖陀螺的原理及特點 13
2.2 光纖陀螺的溫度漂移建模與補償 14
2.2.1 溫度漂移機理 14
2.2.2 基于IUKF和神經網絡的溫度建模與補償 15
2.3 光纖陀螺的隨機誤差分析 26
2.3.1 阿倫方差局限分析 26
2.3.2 基于阻尼振蕩假設的經典方差分析及其前提 31
2.3.3 兩種分析方法的前提探討與合理解釋 33
2.3.4 基于混合分段的阿倫方差分析 35
第3章 旋轉慣導系統誤差特性分析與補償 41
3.1 坐標系及誤差描述 42
3.1.1 坐標系的定義 42
3.1.2 誤差的定義 43
3.1.3 旋轉軸運動及其誤差描述 45
3.2 捷聯式慣導系統誤差模型 46
3.2.1 導航基本方程 46
3.2.2 誤差方程 47
3.3 旋轉慣導系統誤差模型 47
3.3.1 誤差方程及誤差調制原理 47
3.3.2 不同旋轉方案的旋轉矩陣表示 49
3.4 旋轉慣導系統誤差分析 53
3.4.1 單軸旋轉慣導系統誤差分析 53
3.4.2 雙軸旋轉慣導系統誤差分析 57
3.5 系統旋轉性誤差分析 65
3.5.1 旋轉軸不正交誤差分析 65
3.5.2 器件測角誤差分析 65
3.5.3 換向超調誤差分析 67
3.5.4 轉速控制誤差分析 67
3.6 旋轉慣導誤差綜合仿真 68
3.6.1 常值漂移誤差仿真 68
3.6.2 刻度系數誤差仿真 70
3.6.3 安裝誤差仿真 72
3.6.4 隨機漂移誤差仿真 73
3.6.5 載體運動影響仿真 74
3.7 雙軸旋轉慣導系統的綜合誤差補償 77
3.7.1 雙軸旋轉方案的缺陷 77
3.7.2 綜合誤差補償方案 81
3.7.3 仿真與分析 85
第4章 系統設計與誤差標定技術 93
4.1 系統硬件技術 94
4.1.1 總體技術方案 94
4.1.2 系統硬件方案 95
4.2 系統軟件技術 98
4.2.1 電機控制與導航解算 98
4.2.2 顯控軟件 98
4.3 系統標定技術 99
4.3.1 誤差標定模型 100
4.3.2 傳統標定方法 100
4.3.3 基于雙軸轉臺的無北向轉停標定方法 104
第5章 系統旋轉控制技術 111
5.1 旋轉控制系統建模 112
5.1.1 三軸旋轉慣導系統的框架結構 113
5.1.2 IMU的絕對角運動分析 114
5.1.3 三軸力矩方程 115
5.1.4 系統控制建模與分析 117
5.1.5 仿真與實驗 119
5.2 常規PID控制算法及其實現 121
5.2.1 PID參數整定 123
5.2.2 仿真與實驗 123
5.3 基于反向電壓的混合PID控制算法 124
5.3.1 控制算法的設計與實現 124
5.3.2 控制參數設計 125
5.3.3 仿真與實驗 126
5.4 模糊控制算法的設計與實現 128
5.4.1 模糊控制器的原理 128
5.4.2 模糊控制器結構設計 129
5.4.3 模糊控制算法的實現 129
5.5 模糊自適應PID控制算法 132
5.5.1 算法結構設計 133
5.5.2 隸屬度函數設計 133
5.5.3 模糊規則設計 133
5.5.4 算法仿真及結果 135
5.6 航向耦合效應抑制算法 137
5.6.1 航向耦合效應的產生及影響分析 137
5.6.2 航向耦合效應抑制算法的實現 140
5.6.3 實測姿態數據驗證 141
第6章 系統阻尼校正技術 143
6.1 阻尼校正技術的實質及影響 144
6.1.1 阻尼校正技術的實質 144
6.1.2 阻尼校正技術的影響 147
6.2 水平阻尼網絡的設計與實現 149
6.2.1 阻尼網絡的設計 150
6.2.2 阻尼網絡的實現 153
6.2.3 仿真與實驗 155
6.3 阻尼狀態超調誤差抑制算法 159
6.3.1 誤差抑制機理 159
6.3.2 仿真 160
6.3.3 實測數據實驗 162
6.4 基于比例環節的阻尼校正算法 163
6.4.1 校正算法結構 163
6.4.2 仿真 164
6.4.3 實測數據實驗 165
參考文獻 168
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光纖陀螺旋轉慣導系統誤差抑制技術 節選
第1章緒論 本章主要對旋轉慣性導航（簡稱慣導）系統的發展和研究現狀進行概述。*先，分別從國內和國外兩個角度闡述光纖陀螺儀（簡稱光纖陀螺）的發展歷程。然后，在此基礎上，引出以美國為重點的光纖陀螺旋轉慣導系統的研究現狀。*后，重點從慣性器件誤差分析與建模、系統誤差參數的標定方法研究、系統誤差分析與建模、系統誤差補償與校正四個方面分析現在旋轉慣導技術的主要理論、研究方向及進展，并對本書的主要工作進行概述。 慣導技術利用安裝在載體上的慣性器件來測定載體相對于慣性空間的線運動和角運動參數，在給定的初始條件下根據牛頓（Newton）運動定律及測定的運動參數來推算載體的速度、姿態和位置等運動信息，是一種完全自主的導航技術[1]。慣導系統工作既不需要接收外界信息，也不會向外界輻射能量，其隱蔽性好，工作不受環境條件限制。因此，慣導系統在航天、航空和航海領域得到了廣泛應用。 慣導系統利用陀螺儀和加速度計輸出進行導航解算，需進行相應的積分運算和處理，積分過程使得系統誤差在各誤差源作用下隨時間振蕩或累積[2]，從而制約系統精度。不同的應用領域和工作環境對慣導系統的精度要求也不相同。應用于航空、航天領域的慣導系統，導航時間較短，同時容易獲得其他導航信息進行融合實現組合導航，因此對系統的純慣性精度要求相對寬松，但載體空間小、高動態的特點對慣導系統的可靠性、體積和質量要求高。而應用于航海領域的慣導系統，其工作時間長（一般為幾天甚至十幾天），工作環境受限（水下載體無法接收外界信息），因此對系統的純慣性精度要求極高。 按系統結構和工程實現形式不同，慣導系統分為平臺式和捷聯式兩種。平臺式慣導系統精度高，器件動態條件小，但成本高，結構復雜。捷聯式慣導系統組成簡單，可靠性好，但精度低，器件工作環境惡劣[3]。軍用慣導系統1984年以前全部為平臺式慣導系統。捷聯式慣導系統的發展滯后主要原因在于：系統對慣性器件的動態范圍和精度要求高，系統計算量大。光纖陀螺的成熟極大地推動了捷聯式慣導系統的發展，同時，計算機技術的發展解除了計算的限制。光纖陀螺具有可靠性高、動態范圍廣、啟動迅速、標度因數穩定性好等一系列優點，特別適合應用于捷聯式慣導系統。因此，光纖陀螺慣導系統迅速成為各國研究的重點。1994 年，美國海軍慣導系統90%以上采用捷聯式結構。 目前，我國已有多種激光陀螺捷聯式慣導系統成功應用于航空領域，但就光纖陀螺自身精度而言，仍難以滿足高精度長航時艦船慣導系統應用需求。因此，如何提高慣導系統長航時的系統精度已經成為我國海軍船用慣導系統研究面臨的突出問題。基于旋轉調制技術的船用激光陀螺慣導技術在近幾年受到國內重視，多家單位相繼研制了系統原理樣機，部分系統進行了湖試、海試試驗[4]。由于在現有技術條件下的精度優勢，目前國內的船用旋轉慣導系統樣機均采用激光陀螺作為角速率敏感器件。不同于激光陀螺，光纖陀螺利用光纖環代替激光諧振腔，通過增加光纖環的匝數來提高光的傳播路程，同時用檢測光傳播的相位差代替頻率差。從原理上講，光纖陀螺因增加了光路傳播長度而更具精度潛力。同時，光纖陀螺全固態、高可靠性的優勢使得其非常適用于旋轉慣導系統，光纖陀螺旋轉慣導系統有可能成為滿足我國海軍長航時、高精度導航定位需求的主要技術途徑，因此成為目前國內外慣性技術研究的前沿和熱點方向。 1.1 光纖陀螺的發展歷程 1913年，法國人薩奈克（Sagnac）發現了薩奈克效應[5]，由此奠定了光纖陀螺的理論基礎[6]。20世紀60年代，激光技術的出現使得光纖陀螺的研究突飛猛進[7]。1963年，Macek等[8]*次提出了環形激光陀螺的概念。1975年，Vali等[9]*次提出了光纖陀螺的構想。1976年，美國猶他州立大學采用分立元件制成了世界上**臺光纖陀螺，其分辨率為 。光纖陀螺構想的提出到工程實踐存在著一系列的技術困難，Pavlath[10]對此進行了詳述。1980年，Bergh等研制出了**臺全光纖陀螺試驗樣機，成為光纖陀螺邁向實用化的標志。 目前，具有光纖陀螺研制和生產能力的國家有美國、法國、德國、英國、俄羅斯、日本等。我國對光纖陀螺的研究起步較晚，但近年來也取得了一些可喜的成績。 1.1.1 國外光纖陀螺的研究 目前，美國具有光纖陀螺研制的*高水平，研制單位中*具代表的有Honeywell、Northrop Grumman、Macdonald Douglas等公司。 Honeywell公司是光纖陀螺*主要的研發單位，其研制過程很大程度上代表了光纖陀螺的發展歷程：1986年開始研制戰術級陀螺，1991年產品精度達到要求；1989年開始研制導航級保偏陀螺，1994年獲得成功，精度達到 ，隨機游走系數為 ；隨后研制高精度保偏陀螺，1997年產品精度達到 ，隨機游走系數為 ；1993年開始研制消偏陀螺，1996年達到導航級精度；1998年開始研制高精度消偏陀螺，精度達到 ，隨機游走系數為 [11]。 圖1.1 ADM II光纖陀螺 20世紀90年代，Honeywell為美國軍方干涉型光纖陀螺（interferometric fiber optic gyroscope，IFOG）計劃（該計劃旨在用光纖陀螺替代靜電陀螺應用于戰略核潛艇）研制了ADM I和ADM II兩種高精度光纖陀螺[12]。ADM I的隨機游走系數達到了 。ADM II（圖1.1）為ADM I的改進型，預期目標為進一步降低隨機游走系數，提高器件精度。文獻[10]～[13]報道了該陀螺的研制情況。 2016年，Honeywell公司研制出新一代參考級光纖陀螺原理樣機，并將參考級陀螺精度定義為陀螺零偏小于 ，隨機游走系數小于 。該陀螺儀主要應用于地球相關科學的探測與研究。圖 1.2 給出了該陀螺儀 1 個月的測試數據的阿倫（Allan）方差分析結果：在 1 個月的數據測試中，未補償的零偏不穩定性小于 0.000 03 °/h，而隨機游走系數約為 。Honeywell公司認為該陀螺達到了原子陀螺的隨機游走系數，且具有很好的體積和工程化優勢，還具有與目前*高精度的半球諧振陀螺相當的零偏不穩定性和角度白噪聲水平。 Honeywell公司在光纖陀螺上的優勢主要基于以下技術：①光纖長度可達到2～4 km，大功率光源保證了波長穩定性和低噪聲；②利用反饋回路減少了光線光源輸出光的相對強度；③采用“雙斜坡”反饋方案，保證了刻度系數線性度和*大動態范圍；④合理的誤差抑制調制技術[14-18]。 法國光纖陀螺的研究也一直走在世界的前列，其*具代表性的研發單位為Sextant、Sagem和Ixsea公司。 20世紀70年代后期，Herve Ardittry和Herve Lefevere[19-22]發表了許多關于光纖陀螺的論文，促進了光纖陀螺技術的發展成熟。80年代后期，Photonetics公司取得了技術上的重大突破，提出的“全數字”概念為高性能的光纖陀螺研制提供了先決條件。90年代初，無制冷、波長穩定的光纖光源的出現使得產品精度進一步提高。到20世紀末，Photonetics公司對外公布的量產產品的精度達到了 。據文獻[23]介紹，該公司為了配合NASA的Sofia計劃，于1997年底研制了4只精度為 的光纖陀螺產品。 圖1.2 參考級陀螺儀的阿倫方差曲線（1個月） 另外，德國、意大利、俄羅斯、日本也是光纖陀螺研究和生產的大國。俄羅斯的VG系列光纖陀螺應用廣泛。VG951和VG910兩種型號的產品已成功應用于捷聯式慣性/衛星組合導航與定位系統和陀螺儀水平羅經。日本的中、低精度光纖陀螺在實用化、民用化方面卓有成效。 1.1.2 國內光纖陀螺的研究 我國在20世紀90年代開始了光纖陀螺的研究。目前，中國航天科工集團公司第三研究院第三十三所（簡稱三院33所）、中國航天科工集團公司第九研究院第十三研究所（簡稱九院13所）、中國航空工業集團有限公司西安飛行自動控制研究所（簡稱618所）、中國航天科工集團公司第八研究所（簡稱8所）、浙江大學、北京交通大學、北京航空航天大學等單位都相繼開展了光纖陀螺的研制工作[24-25]。 “九五”期間，清華大學開展了光波導陀螺的研究，提出了將敏感線圈改為光纖敏感環，使雙向光束在敏感環中循環傳播，以減小光纖長度，這種光纖陀螺被稱為循環干涉型光纖陀螺。這一改進減小了光纖敏感線圈在結構和繞制等方面的難度，降低了光纖陀螺的成本。浙江大學和Honeywell公司幾乎同時發現，應用消偏技術能夠提高光纖陀螺精度[26-28]。北京航空航天大學在光纖陀螺研究方面較有成效，具備了從 到 不同精度的光纖陀螺的量產能力。2009年后，北京航空航天大學與618 所進行合作以研制更高精度的產品。另外，三院33所研制的光纖陀螺已成功應用于羅經系統。除上述研制單位外，在公開信息中難以了解其他單位的研究狀況。由于光學器件、制造工藝、測控技術等方面的差距，我國光纖陀螺的研制水平和生產能力離歐美國家還有較大距離。 1.2 旋轉慣導系統的發展 捷聯式慣導系統對慣性器件精度要求高，系統長時間導航精度有限。為提高系統在有限器件精度下的性能，有研究人員[29-31]提出了在捷聯式慣導系統的基礎上，對系統慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）進行周期性旋轉以調制系統和器件誤差，提升系統精度，從而出現了旋轉慣導系統的概念。目前，關于此類系統的表述不一，有稱旋轉慣導系統、旋轉調制式慣導系統、旋轉式慣導系統、旋轉調制式捷聯慣導系統等。為規范表述，本書統一稱旋轉慣導系統。相對于平臺式慣導系統，旋轉慣導系統組成簡單、可靠性高、成本低；相對于捷聯式慣導系統，在器件水平相當的情況下旋轉慣導系統精度明顯提高。 1.2.1 美國旋轉慣導系統的研究 Levinson等[32-33]在討論激光陀螺長航時的精度潛力問題時提出了旋轉調制思想。隨后，Sperry公司利用激光陀螺研制了單軸旋轉慣導系統。與此同時，Honeywell公司采用雙軸轉位方案研制了SLN艦用激光陀螺導航儀。Rockwell公司研制了一種慣性組件繞艦船龍骨軸連續旋轉的激光陀螺慣導系統，并于1985年進行了海上試驗和鑒定。隨后，美國對旋轉慣導系統的研究發展迅速，至今已經研制出 WSN-5L、SLN、MARLIN、MK39、MK49、AN/WSN-7A、AN/WSN-7B等高精度系統，并分別成功裝備海軍水面艦艇和潛艇。系統應用單軸或雙軸旋轉技術后導航精度明顯提高。 20世紀90年代后期，Sperry公司將單軸旋轉調制方案引入捷聯式MK39慣導系統，研制出MK39 Mod3C（圖1.3），系統位置精度達到了 [34]。而后，又研制了采用雙軸旋轉的 MK49 系統。根據文獻[35]報道，系統航向誤差為 （95%CEP ），橫搖誤差為 （95%CEP），縱搖誤差為 （95%CEP），系統無故障時間達到了14 400 h。 圖1.3 MK39 Mod3C系統結構 而后，在MK39 Mod3C的基礎上又發展了AN/WSN-7B系統，系統采用Honeywell公司的GG1320激光陀螺和單軸旋轉方案，重調周期為24 h[36]；在MK49的基礎之上發展了AN/WSN-7A系統[37]，如圖1.4所示。系統采用雙軸旋轉方案，IMU定期繞橫搖軸和方位軸進行180°翻轉，用來消除陀螺漂移及其他誤差源，轉位機構還用來對系統進行自校準、隔離外界的橫搖和方位運動等，系統全自主條件下能夠提供14天的導航能力。 圖1.4 AN/WSN-7A和AN/WSN-7B系統 由于系統精度顯著提高，20世紀90年代開始，美國的旋轉慣導系統系列迅速取代原有的船用慣導系統，成為多國海軍艦船和潛艇的主要導航裝備[37-38]。 20
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