● 摘要
近年来随着光纤技术和微机电技术的发展，光纤陀螺航向与姿态参考系统由于其体积小、重量轻、可靠性高等特点，在制导炸弹、直升机、无人机、车辆导航、机器人控制等领域应用前景广阔。光纤陀螺航姿系统的主要传感器如开环式光纤陀螺、微机电加速度计和磁传感器等精度较低，必须考虑多种补偿措施来提高其系统性能。论文主要围绕惯性测量单元标定、陀螺漂移建模、罗差校正、航姿系统数据融合算法等关键技术进行了深入研究，主要创新性成果如下： 1) 对惯性传感器的零偏和标度因数等参数统一进行建模，提出了光纤陀螺惯性测量单元的单轴一体化标定技术。利用单轴速率转台通过高低温、多速率的标定实验，建立了以光纤陀螺温度和输出电压为输入，角速度为输出的光纤陀螺分段模型，同时消除了温度和非线性对光纤陀螺的影响。通过高低温位置实验，建立了以微机电加速度计温度和输出电压为输入，加速度为输出的加速度计分段模型。然后采用逐步线性回归，对两模型进一步做多因素方差分析，得到了简化的分段模型。 2) 针对陀螺和加速度计组件均倾斜安装的光纤陀螺惯性测量单元，将三轴微机电加速度计组件和三轴光纤陀螺组件分别考虑为一个整体，并将传统的零偏、标度因数、安装误差等参数等效考虑为一个转换矩阵，提出了适用于大安装误差角的惯性测量单元三轴一体化标定技术，与现有标定技术相比具有等效性及优越性。光纤陀螺惯性测量单元具有明显的温度特性和非线性，采用多元线性回归，将温度影响和非线性影响同时考虑到光纤陀螺惯性测量单元的三轴一体化标定模型中。 3) 采用Allan 方差分析，通过长时间数据分析表明角度随机游走是开环式干涉型光纤陀螺的主要误差。采用时间序列分析，建立了光纤陀螺漂移的随机模型，并验证了模型的合理性。通过卡尔曼滤波验证了采用此模型能较好的滤除光纤陀螺的随机漂移，特别是低频噪声。 4) 磁传感器本身制造特性的差异和生产装配误差，使得三轴零偏、标度因数各不相同，安装误差较大，为此提出了一种十二位置不对北的磁罗盘标定方法，完全依靠天向磁场，推导了三轴零偏、标度因数和安装误差的公式。 5) 为补偿航姿系统使用环境中存在的软铁和硬铁效应，提出了利用地磁场连续转动信息校正12罗差参数的思路。由于陀螺短时精度高，初始对准后短时内可得到精度较高的捷联矩阵，如果已知当地磁倾角，由捷联矩阵可将已知的地磁场投影到载体系，校正时只需航姿系统改变姿态角连续转动两圈。当磁倾角和初始航向角已知时，提出了估计12罗差参数的递推最小二乘算法；当磁倾角和初始航向角具有较大误差时，进一步提出了把磁倾角、初始航向角作和罗差参数为状态变量的14状态扩展卡尔曼滤波算法。 6) 为解决航姿系统在载体长时间机动情形下的姿态精度保持问题，提出了一种机动加速度辅助的9态扩展卡尔曼滤波算法, 将载体机动加速度描述为当前统计模型，其状态变量包括三个姿态角误差、三轴陀螺零偏误差和三轴载体加速度误差，观测量为三轴加速度误差和三轴地磁场误差。最后通过转台实验、车载实验和飞行实验，验证了9态扩展卡尔曼滤波算法在不同机动情形下均能有效保持较高的姿态测量精度。 综上，论文的研究成果对于光纤陀螺航姿系统在军民两用领域中的应用有着很好的应用价值。