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2012 年 海 军 航 空 工 程 学 院 学 报 2012
第 27 卷 第 4 期 Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University Vol. 27 No.4
收稿日期:2012-05-09; 修回日期:2012-05-25
作者简介:徐胜红(1974−),男,副教授,博士。
文章编号:1673−1522(2012)04-0377−04
旋转捷联惯导系统原理及典型方案分析
徐胜红
1
,金 斌
2
,施建洪
1
,李瑞涛
1
(1.海军航空工程学院控制工程系,山东 烟台 264001;2.海军装备部,北京 100036)
摘 要:旋转捷联惯导系统采用旋转调制误差补偿技术对陀螺仪和加速度计误差进行调制,可以提高系统导航
精度。文章借助捷联系统基本误差方程,简要分析了旋转调制误差补偿的机理;通过对几种典型 IMU 旋转方案
的分析和仿真,验证了旋转调制误差补偿技术的有效性并比较了不同旋转方案的特点。
关键词:捷联惯导;旋转调制;误差补偿;旋转方案
中图分类号:V241.62 文献标志码:A
惯导系统具有工作自主性强、提供导航信息较
为全面、抗干扰能力强、适用条件宽等独特优点,
但也存在定位误差随时间累积的缺陷。工程实践中,
一般通过误差补偿或研制更高精度惯性器件等技术
途径可以较好地提高惯导系统精度
[1-2]
。采用系统误
差补偿技术与研制高精度惯性元件相比具有成本
低、见效快的特点,其中,旋转调制技术便是一项
重要的系统误差自动补偿技术。旋转调制误差补偿
的技术特点是:将惯性元件漂移误差调制成某种周
期变化的形式,通过导航解算的积分运算过程自动
将误差平均抵消掉。
在光学陀螺捷联惯导中,机械编排由计算机软
件实现,光学陀螺又具有动态范围宽、标度因数线
性度好、无机电干扰误差项等特点。因此,光学陀
螺捷联惯导非常适合采取旋转调制技术实现误差补
偿
[3]
。
国外基于旋转调制方法的捷联惯导误差自动补
偿技术在舰船导航领域已经得到应用,如美国早在
上世纪就先后研制出了
MK39
、
MK49
系列等高精
度旋转捷联惯导系统并应用
[4]
。国内众多科研机构
和学者对这项技术也进行了大量的研究
[5]
,但受光
学陀螺发展相对滞后、精度较低的限制,该技术的
应用仍不成熟。
1 旋转捷联惯导误差补偿原理
在捷联式惯导系统中,旋转自动补偿技术在本
质上是在转动周期内周期性地改变姿态矩阵,使得
系统中缓慢变化的误差在转动周期内均值接近零,
从而减小系统误差的积累,提高导航精度
[6]
。旋转
方法还可以提高系统对准时的可观测度,提高对准
的精确度
[7]
。
光学陀螺捷联惯导系统用建立的
“
数学平台
”
作
为导航计算的参考坐标系,系统的误差传播方程可
以用下列式子表示
[1
,
8]
:
姿态误差为
nnnnnb
in in b ib
δ
δ
=− × + −φωφωC ω
;
(1)
速度误差为
。
nn
en
n
ie
nn
en
n
ie
bn
b
nnn
vωω
vωωfCφfv
×+
−×+−+×=
)2(
)2(
δδ
δδδ
(2)
式
(1)
、
(2)
中:
i
表示惯性坐标系;
e
表示地球坐标
系;
n
表示导航坐标系;
b
表示载体坐标系;
n
φ
是
计算坐标系与理想导航坐标系之间的失准角,也就
是惯导姿态误差角;
ω
和
δ
ω
分别是角速率和角速
率误差,其上标表示在对应坐标系内的分量值,下
标表示相对运动的坐标系;
v
和
δ
v
分别是速度和速
度误差;
f
和
δ
f
分别是比力和比力误差;
n
b
C
是姿
态矩阵。
图
1
为旋转捷联惯导系统的结构原理示意图
[9]
:
光学陀螺仪和加速度计组成的惯性测量组合
(IMU)
安装在旋转平台机构上且相对载体按一定规律旋
转。此时,
IMU
测得旋转平台相对惯性坐标系的角
速率和比力信息。导航计算机接收该信息,结合旋
转平台机构输出的
IMU
相对载体的当前角位置信
息,变换得到载体相对惯性坐标系的角速率和比力
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