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        安裝誤差對(duì)單軸旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)精度影響分析

        2020-10-29 01:12:40賈繼超趙瑞星董樹(shù)冰
        壓電與聲光 2020年5期
        關(guān)鍵詞:零位慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)

        劉 鑫,賈繼超,黎 坤,趙瑞星,董樹(shù)冰

        (1.航天科技集團(tuán) 九院16所,陜西 西安 710100;2.火箭軍裝備部 駐西安地區(qū)第三軍事代表室,陜西 西安 710100)

        0 引言

        初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,初始對(duì)準(zhǔn)的精度直接決定著系統(tǒng)的精度。單位置初始對(duì)準(zhǔn)時(shí),水平對(duì)準(zhǔn)精度與水平加速度等效零位有關(guān),方位對(duì)準(zhǔn)精度與陀螺等效零偏有關(guān)。采用單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)可以消除或減小慣性器件的常值漂移對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度的影響,從而提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度。文獻(xiàn)[1-4]通過(guò)研究慣性器件誤差與慣性測(cè)量單元(IMU)角位置之間的關(guān)系,定量分析了IMU的轉(zhuǎn)動(dòng)方式,明確了使捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)誤差狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)估計(jì)時(shí)IMU的最佳旋轉(zhuǎn)角位置。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)地分析了多位置對(duì)準(zhǔn)時(shí)卡爾曼濾波器參數(shù)(P0、Q、R)的選取對(duì)陀螺零偏和加速度計(jì)零位的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[6]研究了慣性儀表的隨機(jī)噪聲不同時(shí)單軸旋轉(zhuǎn)雙位置對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。由于單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)增加了旋轉(zhuǎn)過(guò)程,對(duì)準(zhǔn)誤差源也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[7-9]。文獻(xiàn)[8]分析了影響旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)精度的慣性器件誤差參數(shù),指出天向陀螺標(biāo)度因數(shù)非對(duì)稱性誤差、天向陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差對(duì)航向角對(duì)準(zhǔn)精度的影響較大。文獻(xiàn)[9]指出,采用雙位置標(biāo)定3個(gè)陀螺漂移和3個(gè)加速度計(jì)零位時(shí),陀螺安裝偏角會(huì)造成水平加速度計(jì)零位估計(jì)誤差。本文將從理論上推導(dǎo)陀螺安裝誤差對(duì)單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)精度和加速度計(jì)零位估計(jì)的影響,并通過(guò)單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)仿真進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,進(jìn)而為高精度單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)提供參考。

        1 單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)誤差模型

        單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差傳播特性由系統(tǒng)的誤差模型來(lái)描述。將激光陀螺的零偏和加速度計(jì)的零位誤差看作隨機(jī)常值并擴(kuò)充為狀態(tài)變量,采用東、北、天(E、N、U)坐標(biāo)系建立的十階SINS誤差狀態(tài)模型為

        (1)

        選擇水平速度誤差作為量測(cè)量,量測(cè)方程為

        Z=HX(t)+V

        (2)

        2 陀螺安裝誤差對(duì)對(duì)準(zhǔn)影響分析

        為了確保激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航精度,必須對(duì)誤差參數(shù)進(jìn)行精確標(biāo)定,并通過(guò)系統(tǒng)軟件加以補(bǔ)償。而在實(shí)際使用過(guò)程中,由于慣性器件的性能保持期較短,誤差參數(shù)會(huì)隨時(shí)間、環(huán)境等因素發(fā)生改變。為消除或減小了慣性器件的常值漂移對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度的影響,可以采用單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)方案,而在多位置對(duì)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,陀螺安裝誤差與旋轉(zhuǎn)角速度的共同作用會(huì)造成失準(zhǔn)角誤差,進(jìn)而會(huì)影響對(duì)準(zhǔn)精度和加速度計(jì)零位估計(jì)值。對(duì)于激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言,由于激光陀螺標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定,由陀螺標(biāo)度因數(shù)誤差引起的失準(zhǔn)角誤差較小,可忽略。

        激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)常采用轉(zhuǎn)停結(jié)合的方式,旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由陀螺安裝誤差引起失準(zhǔn)角變化率為

        (3)

        繞方位軸旋轉(zhuǎn)時(shí)有ωz?ωx、ωz?ωy,且初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)接近水平,在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由陀螺安裝誤差引起失準(zhǔn)角變化為

        (4)

        式中ψ為航向角。

        最優(yōu)雙位置對(duì)準(zhǔn)方案是繞方位軸旋轉(zhuǎn)180°,假設(shè)初始時(shí)刻姿態(tài)矩陣為單位矩陣,結(jié)合水平初始對(duì)準(zhǔn)模型,可推得:

        (5)

        式中g(shù)為重力加速度。

        由式(5)可知,東、北向失準(zhǔn)角估計(jì)誤差分別為-Eyz和Exz,X加速度計(jì)零位估計(jì)誤差為-Exzg,Y加速度計(jì)零位估計(jì)誤差為-Eyzg。為了提高單軸旋轉(zhuǎn)多位置對(duì)準(zhǔn)精度和加速計(jì)零位估計(jì)精度,需要精確標(biāo)定陀螺安裝誤差,主要是安裝誤差Exz、Eyz,Exz、Eyz的標(biāo)定可以利用單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

        3 仿真結(jié)果與分析

        圖1、2分別為水平失準(zhǔn)角估計(jì)曲線和水平加速度計(jì)零位估計(jì)曲線。由圖1可看出,東向失準(zhǔn)角估計(jì)誤差約為-8″,北向失準(zhǔn)角估計(jì)誤差約為4″,與理論分析一致,由圖2可看出,X加速度計(jì)零位估計(jì)誤差約為-2×10-5g,Y加速度計(jì)零位估計(jì)誤差約為-4×10-5g,與理論分析一致。

        圖1 水平失準(zhǔn)角估計(jì)曲線(局部放大)

        圖2 水平加速度計(jì)零位估計(jì)曲線

        4 結(jié)束語(yǔ)

        理論推導(dǎo)了陀螺安裝誤差對(duì)激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度和加速度計(jì)零位的影響,并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。從理論分析和仿真驗(yàn)證可看出,陀螺安裝誤差Exz、Eyz一方面影響水平姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)精度,另一方面影響水平加速度計(jì)零位估計(jì)值。為減小陀螺安裝誤差Exz、Eyz對(duì)激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度的影響,提出基于單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)的Exz、Eyz標(biāo)定方案。相關(guān)研究為提高激光陀螺單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度提供了理論依據(jù)。

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