稳定环境下的高精度光纤捷联惯导精度探索研究

在分析法国MARINS光纤惯导方案及温度试验的基础上,论证提出了一种带温控高精度光纤陀螺捷联惯导设计方法,并在温箱稳定环境下进行了试验验证。试验表明,在温箱温控精度为0.1℃的条件下,惯导系统精度可以达到1nmile/10d;若实装,温控精度将优于0.02℃,光纤惯导精度还可进一步提高。     

一种外环水平结构双轴光纤惯导系统旋转方案设计方法

目前国内外长航时高精度自主惯导系统多采用双轴旋转调制自动补偿技术,而旋转方案设计对系统导航精度影响至关重要.双轴惯导系统按结构可分为外环水平结构和外环航向结构两类.分析了外环水平结构双轴惯导系统在旋转方案设计中的局限性,考虑到光纤陀螺输出特性,指出外环水平结构双轴光纤惯导系统不宜采用传统旋转方案,并提出了一种该类双轴光纤惯导系统的旋转方案设计方法,最后对所设计旋转方案与十六位置旋转方案进行试验对比,试验表明此设计方案导航精度提升了71％.     

基于双通道的光纤陀螺捷联罗经系统软件设计

基于双通道（罗经通道和惯导通道）的光纤陀螺捷联罗经系统软件设计,罗经通道通过在水平回路及罗经回路中加阻尼控制环节校正姿态角,当载体进行复杂机动航行时,系统自动切换到无阻尼惯导通道,以有效减小机动误差,并通过等效分析法确定加速度阈值实现两通道的自动切换。两种工作通道的仿真结果表明罗经通道与惯导通道相比,可以更好地抑制系统的舒勒周期振荡和地球周期振荡,对惯性器件的随机噪声产生的误差积累也有较好的抑制作用。通过系统工程样机在三轴转台环境下的测试,基本验证了双通道软件的正确性和系统样机硬件的可靠性,测试结果表明该罗经系统具有较高的姿态精度。     

光纤陀螺惯导在航海领域的发展与应用

针对航海导航领域对惯性技术发展的新需求,从系统精度、旋转调制技术、陀螺性能等方面出发,梳理了国外航海惯导技术的发展脉络。由此总结出了航海惯导三点新的发展需求,包括定位精度、研制成本、使用维护性,同时给出了满足当前发展需求的一个研究方向,那就是采用超高精度的光纤陀螺研制航海惯导。最后从陀螺精度极限、温控、全阻尼等几个方面进行简要的可行性论证,并给出了部分验证试验结果,试验结果表明光纤陀螺惯导在航海领域具有广阔的发展前景。     

航海光纤陀螺捷联惯导系统快速对准技术研究

针对中小型水面舰船对航海惯导系统快速对准的实际需求,结合光纤陀螺的误差特性,提出一种针对航海光纤陀螺捷联惯导系统的快速对准方法。该方法充分考虑光纤陀螺启动特性对惯导系统对准精度的影响,在对准过程中保存光纤陀螺输出平稳后的数据,并利用基于正反向联合导航和滤波的方法,重复利用输出平稳后的数据,缩短对准时间,提高系统对准精度。经过实际的舰载试验验证表明,采取该方法后,所研制的航海光纤陀螺捷联惯导系统在对准时间20min条件下的导航精度相当于传统方法对准时间1h条件下的导航精度,显示了本方法的正确性和有效性,为航海光纤陀螺捷联惯导系统的进一步工程应用提供了有力支撑。     

旋转调制光纤陀螺惯导寻北精度探索

高精度寻北是旋转调制光纤陀螺惯导实现高精度导航的前提,也是其技术优势的体现。针对当前旋转调制光纤陀螺惯导在快速高精度寻北中遇到的问题,对其寻北精度极限进行了深入研究,梳理出4项最主要的影响因素,对其影响机理、误差模型、量级进行了深入的分析,并通过样机试验进行了验证。结果表明,尽管随机游走系数是制约寻北精度极限的最终因素,但陀螺刻度系数误差、扰动速度、航向效应等误差处理不好,将严重影响旋转调制寻北精度;通过采取措施,高精度光纤陀螺旋转调制惯导5min寻北精度已达到35″(3σ),进一步提高精度的措施正在研究中。     

光纤陀螺惯导稳定平台与旋转调制方法

光纤陀螺仪在随机误差方面表现出极佳的性能优势,但受限于其标度因数不理想的现实。针对航海用长航时、高精度光纤陀螺惯导系统的使用需求,设计了基于光纤陀螺数字信号实现载体三维角运动隔离的同时完成惯性测量装置的旋转调制功能,可有效减小光纤陀螺标度因数误差与载体运动角速度的耦合误差,同时充分发挥光纤陀螺随机游走小的精度优势。理论仿真验证了光纤惯导稳定平台加旋转调制方法的优越性和可行性,为光纤陀螺惯导系统在高精度导航领域中的应用提供了技术基础。     

光纤惯导系统连续旋转对准技术研究

初始对准是惯性导航的关键技术之一,对准结果会直接影响系统的导航精度.针对光纤陀螺惯导系统,缩短对准时间、提高系统对准精度等技术难点,开展了高精度光纤惯导系统连续旋转对准技术研究,深入分析了常值陀螺漂移、随时间变化的陀螺漂移、陀螺标度因数常值误差、陀螺标度因数不对称误差、陀螺安装误差、陀螺随机游走等误差项对系统对准精度的影响,对比了现有旋转方案的优点与不足,提出了一种改进的单轴二位置旋转方案.试验结果表明,在采用该旋转方案的情况下,对准时间8min方位角对准精度可达到30"(1σ),具有重要的工程应用价值.     

舰载光纤陀螺捷联惯导系统传递对准技术研究

本文提出了基于中高精度光纤陀螺捷联惯性导航系统传递对准设计方案,以"速度"+"姿态"为量测量,建立了卡尔曼滤波器误差模型和系统观测模型,完成了传递对准算法设计.通过仿真和船载动态试验,验证了传递对准方案可行性;船载试验结果表明光纤陀螺捷联惯导系统传递对准精度较高,技术指标满足工程应用要求.     

基于位置观测量的光纤陀螺惯导系泊条件自标定方法

当舰船处于系泊状态时,海浪等外界干扰因素会给舰载高精度惯导系统的标定带来误差.为降低动态环境对标定的影响,实现惯导系统的船上自标定,设计了一种系泊条件下基于导航方式的系统级八位置自标定方法.利用光纤陀螺惯导台体处于惯性空间稳定状态下的位置导航误差作为观测量,采用最小二乘方法,可在45min内估计出加速度计零偏、标度因数、安装误差、标度不对称误差、陀螺零次项和基座初始对准误差角共18项误差系数,并采用Monte Carlo仿真方法分析了不同系泊环境条件对自标定精度的影响.仿真结果反映了标定方法对海态晃动条件的适用范围,对工程应用具有参考价值.     

基于组合导航技术的光纤捷联系统在线标定

 将光纤捷联系统惯性测量单元（IMU）输出误差分解成零偏误差、标度因数误差、失准角误差和随机白噪声几个部分,建立了系统误差模型,基于此模型设计卡尔曼滤波器引入高精度外部信息源对IMU进行在线标定。将此方法应用于某光纤捷联系统进行跑车试验,结果表明：引入外部信息源进行在线标定与补偿后系统纯惯导精度显著提高,本文建立的系统误差模型和在线估计方式有效估计了IMU输出误差,实现了系统在线标定,提高了系统实用精度。     

气压变化对光纤陀螺仪零偏稳定性 的影响及抑制方法研究

光纤陀螺仪可用于测量载体相对惯性空间的角运动, 是光纤惯导系统的核 心部件。因此,要求光纤陀螺仪具有较高的精度和良好的环境适应性。光纤环是光纤陀 螺仪的角速度敏感部件,光纤环受到环境因素影响,将导致光纤陀螺仪精度下降,因此 需要对光纤环采取适当的保护措施。分析了气压变化导致光纤陀螺仪零偏稳定性变差的 机理： 环境气压的急剧变化, 会使光纤环上产生附加应力, 造成光纤的折射率分布不 均,导致光路产生非互易性相位差,使光纤陀螺仪零偏产生漂移,零偏稳定性变差;并 提出了对光纤陀螺仪进行密封的措施来抑制该效应。经试验验证,采用此密封设计后, 光纤陀螺仪在变气压环境中的零偏稳定性改善了近10 倍。     

精密离心机的现状与未来

精密离心机是用于惯性器件检定、校准和测试的高精度惯导测试设备.它通过主轴的高速旋转在仪器舱内产生加速度场,从而实现对惯性器件使用过程中加速度环境的模拟.精密离心机的主要技术指标就是它产生的加速度的范围和不确定度,目前,我国精密离心机正朝着更精确的加速度 不确定度水平、大负载、多轴、温度试验等方向发展.     

瞄准吊舱捷联惯导系统快速传递对准方法

 新型瞄准吊舱系统中安装捷联惯导系统,使其在跟踪、探测目标的同时具备一定的自主导航能力。吊舱系统中的捷联惯导一般采用较低精度的惯性器件配置,且传递对准实现过程受到机动条件的严格限制。针对该问题提出了一种“比力积分/角速度匹配”传递对准方法,利用主惯导导航信息与惯性器件输出,以及子惯导惯性器件输出实现子惯导的对准。推导了基于主、子惯导系统误差的数学模型,详细分析了器件精度与低动态条件对系统状态量可观测度的影响,并针对低精度惯性器件与低动态条件下的传递对准性能进行了数字仿真。仿真结果表明,该方法在器件低精度与低动态条件下,对准性能达到5′,优于常规传递对准方法,可满足瞄准吊舱捷联惯导系统的快速对准性能要求。     

基于角增量和矢量模值观测的光纤陀螺温度漂移参数分段估计

光纤陀螺捷联惯导系统被广泛应用于航空、航天、航海及陆地车辆定位定向等领域,对光纤陀螺输出误差进行补偿是提高导航精度的有效手段。温度漂移和常值零偏是影响光纤陀螺精度的两个主要误差来源,对角增量输出式三轴光纤陀螺捷联惯导系统的陀螺温度漂移及常值零偏误差参数估计方法进行了研究。针对光纤陀螺的温度漂移,提出了一种基于角增量的分段最小二乘估计方法,根据不同温度区间的特征使用低阶模型即可进行误差建模,估计结果相比整体估计方法更加精确,同时推导了各个温度段参数的边界条件,保证了温度漂移模型在不同温变速率条件下的连续性。针对三轴陀螺输出中包含的常值零偏,提出了一种基于地球自转角速度矢量模值观测的方法,可在不依赖高精度转台等外部基准设备的条件下对光纤陀螺零偏进行估计,可适用于高纬度地区及极区环境下的外场标定。通过温箱静置升温实验,对光纤陀螺惯导系统三轴角增量陀螺进行了温度漂移和零偏的估计与补偿,验证了提出方法的有效性。     

Hybrid Simulation System Study of SINS/CNS Integrated Navigation

In flight tests, to demonstrate the performance of integrated navigation systems, which are strapdown inertial navigation systems/celestial navigation systems (SINS/CNS), will involve a lot of effort and a heavy financial budget. So, it is important to design a functional self-contained hardware in a loop simulation system on the ground for solving the verification of SINS/CNS integrated navigation systems. Aiming at solving the main program, a high precision, versatile and better real-time performance hybrid simulation system of SINS/CNS integrated navigation is presented. The system adopts the design of hardware-functional modularization and software-flow integration, and makes use of a trajectory generator to produce simulated nominal trajectory data which is a uniform reference to signal process, and employs unique time synchronization algorithms to collect actual errors data of inertial sub-system and celestial sub-system. By combining with nominal trajectory data, the data smoothing, all-sky autonomous star map identification and integrated navigation algorithm based on unscented Kalman filtering (UKF), this system can accomplish a lot of system performance testing. It has the features of flexibility and extensibility and can be used to effectively reduce the experimental expense and shorten the development time of integrated navigation system, which is significant for studying algorithm performance, system speciality, and practical application of integrated navigation system.     

基于惯性系的光纤寻北仪双位置寻北算法

由低精度光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)组成的寻北仪具有结构简单、成本低的优点,但易受地磁和车上复杂外部环境的影响.针对低精度FOG存在地磁零位,寻北仪对外部晃动敏感的缺陷,通过对陀螺进行地磁零位补偿保证陀螺零偏稳定性,在此基础上提出了基于惯性系的双位置寻北算法.算法分别在两个对位进行惯性系寻北,利用双位置对消原理获得不受陀螺固定零偏影响的方位角并完成水平陀螺固定零偏的估计.实验结果表明,陀螺零偏稳定性0.15(°)/h,加速度计零偏稳定性150μg的惯性器件精度下,车上寻北误差1倍标准差小于4.5mil、极差小于10mil、对准时间小于5min.与传统双位置算法相比,所提算法在晃动基座条件下具有对准精度高,环境适应性强的优点.     

高精度光纤IMU的磁屏蔽方法及实验研究

惯性测量单元(IMU)是位置姿态系统(POS)的核心部分,IMU的精度很大程度上决定着POS精度.由于高精度光纤陀螺(FOG)的光纤线圈对磁场敏感,基于高精度FOG的IMU精度会受磁场影响而降低.本文研究了FOG磁敏感性机理,通过实验得出高精度光纤IMU对磁场敏感的结论.采用电磁场有限元分析软件Ansoft Maxwe...     

激光捷联惯导车载重力测量试验

惯性导航系统中加速度计测量的比力是载体运动加速度与重力加速度的矢量和,当载体运动加速度能够被有效分离时,满足一定精度水平的惯性导航系统就可以成为动态重力仪。捷联式惯性导航系统体积小、重量轻、系统组成简单,可以在记录下惯性器件原始输出信息之后,通过离线处理过程进行数据处理和精度挖掘。本文通过对某高精度激光捷联惯导进行相应的软硬件更改,获得了兼具导航及重力测量功能的一体式动态重力仪。地面车载试验是验证动态重力仪的测量精度的有效手段之一,本文将一组高速公路重复测线的数据进行了处理和分析,结果表明在平均车速72km/hr的条件下,半波长分辨率2km,自由空间重力异常内符合精度优于1mGal。