● 摘要
光纤陀螺仪作为一种新型的全固态惯性传感器， 是当前惯性技术领域一个重要的研究方向，在军事以及民用领域得到广泛应用。本文以位置姿态系统研制为背景，对其核心部件光纤陀螺仪的误差建模补偿技术开展了深入研究，并对基于光纤陀螺仪的位置姿态系统集成中的若干共性技术进行了深入探索。1、针对光纤陀螺仪随机误差辨识问题，研究了基于Allan方差方法的随机误差辨识方法。提出了一种不完全交叠式Allan方差方法，在保证估计精度的前提下，计算效率相对于现有的完全交叠式Allan方差方法得到显著提高。又将非交叠思想和不完全交叠思想应用于总方差方法，大大提高了总方差的计算效率。此外，又提出了一种滑动平均式Allan方差方法，克服了总方差方法相对于基本Allan方差方法结果存在偏置的不足，大大简化了随机误差辨识过程，但估计精度与总方差方法相当。将前述的不完全交叠思想和滑动平均思想应用到Hadamard方差方法中，提出了不完全交叠式Hadamard方差方法和完全滑动平均式和不完全滑动平均式Hadamard方差方法，并应用于光纤陀螺仪和加速度计的随机误差辨识，相对于Allan方差方法取得了更好的辨识结果。2、研究了采用提升小波的光纤陀螺仪去噪方法。针对光纤陀螺仪输出数据含有大量噪声的问题，提出了一种结合Allan方差方法和小波分析统计数据结果选取小波分解层数的方法。同时考察了加速度计的小波去噪效果和纯惯性的导航定位误差，进一步从系统的角度确定光纤陀螺数据的最优小波分解层数。有效地降低了光纤陀螺仪输出数据的噪声，提高了系统导航定位精度。3、针对高精度光纤陀螺仪对温度比较敏感的问题，研究了光纤陀螺仪温度误差建模补偿方法。通过基于温箱的变温度速率实验研究，分析了光纤陀螺仪输出与温度变化率等温度因素的相关关系，分别采用最小二乘拟合方法和最小二乘支持向量机方法建立光纤陀螺仪的温度模型，提出了一种基于小波去噪、温度补偿和二次小波去噪的温度误差建模补偿方法。从补偿效果来看，基于最小二乘支持向量机的模型在不考虑温度滞后项的情况下就可以达到很高的补偿精度，有效地补偿了光纤陀螺仪输出数据中的温度误差，提高了光纤陀螺仪输出精度。4、最后开展了基于高精度光纤陀螺仪的位置姿态系统集成中的若干共性技术研究。首先设计了一种基于新型惯性结构体的光纤惯性测量单元和一种磁屏蔽结构，实现了光纤陀螺仪与加速度计的紧凑正交安装，有效降低了磁场对光纤惯性测量单元的影响。针对位置姿态系统中捷联惯性/卫星组合导航功能的要求，提出一种基于FPGA和DSP的高度集成的单板组合导航计算机结构，实现了捷联惯性/卫星组合导航系统的实时组合导航功能，并通过静态实验和车载实验验证了该组合导航计算机的各项功能。最后，基于设计的光纤惯性测量单元、组合导航计算机以及其它相关电路和全球定位系统接收机，实现了一体式和分体式位置姿态系统的初步集成。