四频激光陀螺旋转式惯导系统研究--《国防科学技术大学》2007年博士论文
四频激光陀螺旋转式惯导系统研究
【摘要】：
当前国际上的高精度激光陀螺惯导系统,普遍采用了旋转自动补偿技术,以此在系统成本增加有限的情况下大幅度地提高惯导系统的精度。本文即是从理论和工程实现两个方面对光学陀螺惯导系统中的旋转自动补偿技术及其它关键技术进行了研究,最终设计完成了一套四频激光陀螺旋转式惯导系统双轴原理样机,并进行了相关导航试验。本文的研究可以分为五个部分:
(1)旋转式惯导系统自动补偿原理的理论研究。在分析了旋转式惯导系统自动补偿漂移误差的本质后,对旋转式惯导系统中的补偿方式、转轴位置、转动周期等一般性问题进行了讨论和总结,并由此提出了研究旋转式惯导系统中惯性元件误差效应的方法。根据提出的研究旋转式系统中惯性元件误差效应的方法,研究了旋转式系统中标度因数误差、安装误差、加速度计二阶非线性误差的自动补偿情况,同时对自动补偿这些误差的条件和方式进行了分析,并讨论了转位运动引起的锯齿形速度误差和加速度计组件尺寸效应。
(2)旋转式惯导系统的转位方案研究。根据对单轴旋转式系统的分析,总结和提出了多种单轴转位方案,包括隔离载体航向变化的单轴转位方案及不隔离载体航向变化的两位置单轴转位方案等,并着重对四位置单轴转位方案及在其基础上改进后的方案进行了分析,为单轴旋转式系统转位方案的设计提供了参考。在静电陀螺平台翻滚方案的基础之上,提出了旋转式系统的八次序双轴转位方案,并进一步提出了十六次序双轴转位方案,然后对其进行了导航仿真和深入研究,指出此十六次序双轴转位方案是一种合理和实用的转位方案,它不但能够自动补偿惯导系统中全部惯性元件的常值漂移误差、安装误差、标度因数不对称性误差,还能够部分抵消均匀恒定磁场引起的四频激光陀螺IMU漂移误差。
(3)四频激光陀螺旋转式惯导系统双轴原理样机的软硬件设计。在提出了原理样机的总体结构方案和转动控制方案的基础之上,完成了多方面的硬件工作,主要有:进行了系统主要元器件的选型:设计并实现了原理样机的机械结构(包括惯性测量本体、轴系、框架及基座等);设计并实现了直流力矩电机的驱动与控制电路等。为了配合原理样机的硬件部分,在软件方面设计了导航软件(包括电机控制、初始对准、导航解算等功能)、惯导系统综合测试软件、电机驱动的单片机程序、四频陀螺的扫模与稳频程序等,最终完成了原理样机的研制。
(4)惯导系统的标定及初始对准技术研究。在对激光陀螺惯性测量组合的标定模型、标定精度等进行了分析和总结后,提出了一种基于方程解算的激光陀螺IMU标定方法,并结合实际条件,对所研制的原理样机进行了可倾式速率位置转台上的标定试验和加速度计二阶非线性系数及磁场引起四频陀螺漂移的补偿。在分析了旋转式惯导系统的实际需要后,提出了一种大方位失准角度下的初始对准方案,可以使任意大小的方位失准角度正确收敛到零;并提出了分阶段多级循环执行的卡尔曼滤波对准测漂方法,能够使卡尔曼滤波对准时的误差参量被正确的估算和修正:最后将所提出的大方位失准角下的对准方案和分阶段多级卡尔曼对准测漂方法应用到了实际原理样机的初始对准方案中。
(5)旋转式系统双轴原理样机的导航试验。对所研制的原理样机进行了24小时的双轴、单轴、静止三种类型的导航试验,然后对试验结果进行了精度分析,对试验系统进行了的误差分析和仿真模拟,并指出了当前原理样机的主要误差因素和需要改进的方向。同时原理样机的导航试验也验证了各项研究与实现方法的正确性,表明了旋转自动补偿技术不但能够克服惯导系统中激光陀螺及加速度计的漂移,而且是提高系统导航精度的一个有效途径。
本文理论方面的创新有:分析了旋转式惯导系统中的各种误差效应,并推导了相应公式;提出了实用的单轴和双轴转位方案,并进行了误差分析:提出了惯导系统中新的标定方法和新的初始对准方法等。本文理论上的创新可以作为实际旋转式惯导系统的设计参考,双轴原理样机的研制,也为进一步发展更高精度的四频激光陀螺双轴旋转式惯导系统积累了技术经验。
【关键词】：
【学位授予单位】：国防科学技术大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：V241.5【目录】：
ABSTRACT15-17
第一章 绪论17-33
1.1 惯性导航系统简介17-20
1.1.1 惯性导航的原理概述17-18
1.1.2 平台式惯性导航系统18-19
1.1.3 捷联式惯性导航系统19-20
1.2 旋转式惯性导航系统综述20-26
1.2.1 旋转式惯导系统的概念20-22
1.2.2 旋转式惯导系统的发展现状22-25
1.2.3 旋转式惯导系统的前景25-26
1.3 激光陀螺的基本原理26-28
1.3.1 Sagnac效应与激光陀螺26-27
1.3.2 激光陀螺的类型27-28
1.4 四频激光陀螺的误差因素28-30
1.5 课题的意义及本文的内容30-33
1.5.1 课题研究的意义30-31
1.5.2 课题进行的经过31
1.5.3 本文的内容安排31-33
第二章 旋转式惯导系统的原理及误差研究33-55
2.1 旋转式惯导系统自动补偿的基本原理探讨33-37
2.1.1 自动补偿原理的简单说明33-34
2.1.2 旋转式惯导系统自动补偿的本质34-36
2.1.3 单轴旋转下的自动补偿原理说明36-37
2.2 旋转式惯导系统补偿方式的初步探讨37-41
2.2.1 系统级与元件级补偿方式的选择37-39
2.2.2 转轴位置对漂移自动补偿的影响39-40
2.2.3 转动周期对漂移自动补偿的影响40-41
2.3 研究旋转式系统中惯性元件误差效应的方法41-42
2.4 旋转式系统中的标度因数误差效应研究42-44
2.4.1 标度因数误差引起的数学平台误差角度42-43
2.4.2 非对称性标度因数误差的自动补偿效应43
2.4.3 转轴方向上的标度因数误差效应分析43-44
2.5 旋转式系统自动补偿安装误差的条件研究44-49
2.5.1 安装误差引起的数学平台误差角度推导44-46
2.5.2 转动能够自动补偿安装误差的条件探讨46-48
2.5.3 双轴转动下正交安装误差的自动补偿48
2.5.4 对惯性元件安装误差自动补偿条件的解释48-49
2.6 转位运动引起的锯齿形速度误差49-51
2.7 旋转式系统中加速度计的其它误差效应研究51-54
2.7.1 转位运动引起的加速度计组件尺寸效应51-52
2.7.2 加速度计二阶非线性误差的自动补偿效应52-54
2.8 本章小结54-55
第三章 旋转式惯导系统的转位方案研究55-87
3.1 单轴系统转位方式的初步讨论55-57
3.1.1 单轴系统转轴方位的选择55-56
3.1.2 载体航向变化的隔离问题56
3.1.3 单轴系统的导航精度限制56-57
3.2 不隔离载体航向变化的两位置单轴转位方案研究57-59
3.2.1 可转角度大于360度时的单轴转位方案57
3.2.2 可转角度小于360度时改进的两位置单轴转位方案57-59
3.3 可转角度小于360度时的四位置单轴转位方案研究59-64
3.3.1 传统的四位置单轴转位方案分析59-61
3.3.2 新改进的四位置单轴转位方案分析61-62
3.3.3 新改进的四位置单轴转位方案的进一步探讨62-64
3.4 隔离载体航向变化的单轴转位方案讨论64-65
3.5 八次序翻滚的双轴转位方案研究65-71
3.5.1 双轴转位方案的设计与研究方法65-66
3.5.2 采用静电陀螺平台翻滚方案的可行性分析66-70
3.5.3 合理的八次序翻滚转位方案70-71
3.6 十六次序翻滚的双轴转位方案研究71-83
3.6.1 十六次序翻滚转位方案的提出72-74
3.6.2 十六次序转位运动中的IMU姿态分析74-76
3.6.3 十六次序转位方案的仿真结果及分析76-83
3.7 十六次序转位方案的进一步探讨83-86
3.7.1 十六次序转位方案中的磁场抵消问题83-84
3.7.2 十六次序转位方案的变换和改进84-85
3.7.3 实现十六次序转位方案的转轴数目85-86
3.8 本章小结86-87
第四章 旋转式系统双轴原理样机的设计与实现87-116
4.1 双轴原理样机的总体结构方案87-88
4.2 原理样机系统中元器件的构成88-95
4.2.1 惯性元件的构成及性能测试88-90
4.2.2 导航计算机的构成90-92
4.2.3 直流力矩电动机的选择92-94
4.2.4 导电滑环及测角元件的考虑94
4.2.5 四频激光陀螺的配套电路94-95
4.3 原理样机的机械结构设计与实现95-102
4.3.1 系统机械结构的设计过程95-97
4.3.2 惯性测量本体的设计97-98
4.3.3 原理样机的轴系设计98-102
4.4 转动控制电路的设计与实现102-108
4.4.1 转动控制系统的方案102-103
4.4.2 控制电路的硬件结构103-105
4.4.3 控制电路的设计要点105-106
4.4.4 控制电路中控制程序的设计106-108
4.5 测角电路的设计与实现108-114
4.5.1 测角电路的工作原理108-109
4.5.2 测角电路的硬件设计109-111
4.5.3 测角电路与导航计算机的接口设计111-113
4.5.4 测角电路的性能测试及结果113-114
4.6 本章小结114-116
第五章 四频激光陀螺旋转式系统的标定试验研究116-138
5.1 激光陀螺惯性测量组合的标定模型分析116-123
5.1.1 参考系与安装误差116-118
5.1.2 惯性元件的简化输出模型118-119
5.1.3 分立标定的数学模型及精度分析119-123
5.2 基于方程解算的激光陀螺IMU标定方法探讨123-129
5.2.1 标定用参考系的建立124
5.2.2 基于方程解算的标定原理推导124-126
5.2.3 标定的过程和步骤总结126-127
5.2.4 标定的精度讨论127-128
5.2.5 本节小结128-129
5.3 可倾式速率位置转台上的标定试验研究129-133
5.3.1 参考系及转台姿态的确定129-130
5.3.2 无调平情况下的加速度计的标定方法130-132
5.3.3 四频激光陀螺IMU的标定及试验结果132-133
5.4 其它误差参数的数值拟合及补偿133-136
5.4.1 加速度计二阶非线性系数的估算134-135
5.4.2 磁场引起四频激光陀螺漂移的数值拟和135-136
5.5 本章小结136-138
第六章 旋转式惯导系统初始对准方法的研究与实现138-156
6.1 惯导系统大方位失准角下的初始对准探讨138-146
6.1.1 惯导系统的大方位失准角下的ψ角误差方程138-139
6.1.2 静基座下大方位失准角的φ角误差方程139-142
6.1.3 大方位失准角度下的初始对准过程分析与方案142-145
6.1.4 大方位失准角下初始对准的试验结果145-146
6.1.5 本节小结146
6.2 惯导系统多位置对准及测漂方法的研究146-156
6.2.1 卡尔曼滤波对准的原理与方法147-149
6.2.2 可观测性及多位置对准问题149-150
6.2.3 多位置对准测漂的仿真结果及分析150-153
6.2.4 对准测漂的试验结果153-155
6.2.5 本节小结155-156
第七章 双轴原理样机的导航试验及分析156-177
7.1 双轴转位运动下的导航试验156-159
7.1.1 双轴试验的方式156-157
7.1.2 双轴试验的结果157-159
7.2 单轴和静止的对比性导航试验159-163
7.2.1 对比性试验的方式159
7.2.2 单轴和静止导航试验结果159-163
7.3 试验结果的精度分析及比较163-165
7.4 试验系统的误差分析165-168
7.4.1 影响系统误差的因素分析165-166
7.4.2 漂移引起的导航误差分析166-168
7.5 试验系统的仿真分析168-176
7.5.1 理想状态下的双轴导航试验168-169
7.5.2 实测漂移数据的导航仿真分析169-170
7.5.3 转停时间对导航精度的影响170-176
7.6 本章小结176-177
第八章 总结与展望177-182
8.1 本文工作的总结177-178
8.1.1 原理样机直接相关的工作177
8.1.2 旋转惯导系统理论和技术的基础研究177-178
8.2 本文的结论与创新178-180
8.2.1 主要结论与创新178-179
8.2.2 次要结论与创新179
8.2.3 其它结论与创新179-180
8.3 未来研究的展望180-182
致谢182-183
参考文献183-189
作者攻博期间发表或录用的学术论文189-190
附录A 四频激光陀螺的稳频程序190-196
附录B LMD18245的工作原理196-199
附录C 转动控制电路的原理图199-200
附录D 转动控制电路的控制程序200-202
欢迎：、、)
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中国退步最快的14所大学(图)
中国退步最快的14所大学(图)
1．中国人民大学
大家也许还记得
89年****后调人大的第四副校长吴树青到全国第一学府北大去任校长的事情，那是人大最后的疯狂了。建国初期，为了满足****党对干部的需求而成立的全国唯一一所以人文社科类专业为主的全国重点大学，因缺乏理科大强大支持先天有许多不足，在日益竞争激烈的市场经济环境下显得夸夸其谈的多而务实的少，特别是在新经济时代需求的理工技术立国的大潮下更是每况愈下。虽然现在暂时生源还没有太大的影响，但其学科建设老化，大多是原来五六十年代的班底。
MBA本是其强项，但风头也让位于后来据上的北大管理学院，实在有些不可思议。在国家重点扶持的十所冲向世界一流的高校中竟然没有中国人民大学的名字，甚至连候选名单都没有上，这意味着今后人大的同水平教师工资与北大清华的相比每月平均要低
1500元左右。人大与同城的北大清华相比不只是相差两个身位了，甚至要落后于北航北医了。观其校长仍由历史学家李文海先生担任，显然是思想太守旧了。（这里并没有贬低李校长作为著名的清史研究学者之意，仅是说明其作为大学校长不能很好发挥其才干罢了。）
2．南开大学
如果要评选八十年代最具品牌的校名，北大清华南开复旦绝对榜上有名，但如今南开确实落后了。凭心而论，南开的历史上一直有好运，解放前有张伯苓照料着，并且借西南联大的牌子一下子从二流学校等上了与北大清华比肩的高度，解放后蒙恩于那位并非正宗南开学子的周恩来总理，使其成为全国为数不多的没倒牌子的私立大学。然而今天的南开是有了差距，老牌的数学化学已经没有了优势，金融专业也没有抓住市场而效益与其学术地位不符，光学专业在全国也不如浙大和西交叫得响。与天大比没有自己的产业没有资金没有科研经费，日子不太好过，甚至又有了想在
2000年中国高校大劫难中大发一笔的念头，历史难道就这么垂青于这么一所暮气沉沉的老校？
3．吉林大学
吉林大学曾是共和国的骄子，其前身是东北人民大学，真正的基础是后来唐敖庆老先生去东北打的天下，有十八勇士闯关东之说，其理科实力也就是今天南大这种地位（其时南大浙大都在劫难逃），这种状态一直持续到八十年代末。随着改革开放后，特别是小平同志第二南巡后要大力发展上海经济的时候开始，东北的发展相对落后了，老企业的大批下岗职工困扰着社会，曾经作为东北地区最著名的综合性大学的吉大也与经济一样患了病，人才外流，基础建设严重不足，特别是一直注重基础理论研究的她在经济市场中没有一席之地，原来在计算机软件方面独霸北方的地位也没有充分利用，被东大阿尔派抢得了头筹。
生源也在急速下滑，甚至要输给有着汽车工业作后盾的吉工大。最近传来新吉大成立的消息，吉林大学＋吉林工业大学＋白求恩医科大学＋长春科技大学＋长春邮电学院，可能是近来听说的超级巨无霸方案中最没有怨言的了，吉大的文理是东北老大全国前六，工大工科在东北进入前四且正在上升，白医大显然已经盖过中国医而成为东北第一全国前十，科大的地质专业应是全国二三名的水平，新的吉大在总体水平上已经超过哈工大而为东北王了，但愿新吉大走好。
4．武汉大学
曾经是中南地区首屈一指的名牌大学，文科能位具全国前五，理科中的生物和化学学科也一直是全国的前列。八十年代初与武汉在城市改革领跑一样，武大在刘老校长的带领下成为改革初期的高校明星。
但进入九十年代后，由于校方左的势力影响，争权斗争很利害，科研水平滑坡很快，各种排名都难以进入前十名的行列，特别是与同处武汉的小弟弟华中理工大学的务实进取精神相比显得捉襟见肘。目前有关当局推行的创世界一流大学的运动将武汉大学推向了历史的前台，开始是华中理工的抗衡，后来连同济医科大学都难以与之合作，从而错过了重振昔日雄风的机会。
5．兰州大学
兰大是最令人佩服的学校，地处西北边陲而没有消沉停步，曾经创造了兰大的西部神话，在八十年代末被美国权威学术刊物《科学》列为中国最著名的
13所大学之一。兰大同时又是最无奈的学校，近十年来，虽兰大仍保持了良好的学术氛围，在几名院士的带领下，化学、地理等学科仍居全国前列，但总体水平由于人才东南飞而形成尴尬的局面，近年的排名总在
30名之后，而且这种趋势还有越演越烈的趋势。今年的国家西部大开发的号角一吹，地处西部腹地的兰大好象并没有想像中的热度和关注，好象兰大已经连抓住这种天上掉陷饼的好事的力气都没有。
已在地下的当年反右运动被逐出北大来兰大创业的老校长不知会作何感想，恐怕只好等待再来一次反右运动或文化大革命了。西部大开发，人才要先行，而作为西部的最具实力的综合性大学却难以得到应有的地位，这是要广大学友们共同关心的问题了
6．北京科技大学
原名北京钢铁学院，曾经是京城当年著名的八大院校之一，在大炼钢铁年代红极一时，
88年 SCI全国前十，
EI更是紧次于清华而居第二，这是与其强大的背景实力和求实扎实的作风分不开的。本来在改名后要适应时代发展调整学科分布的不利因素的，却过于保守拘泥于已经有强大基础的冶金与材料学科，最终随着钢铁行业的萎缩而走向无法替代的衰败。
在冶金部垮台后，顿时丧失了原来位处京城的有利地位，加速了其衰败的速度，而与其原来实力相当的北航和东北大学由于搭乘信息时代的快车摆脱了原来的阴影走向良性循环的发展轨道，将北科大摔得约来越远，原来在身后的中南工业大学随着新中南大学的诞生而号称进入全国高校二十强。北科大是集原苏联模式、计划经济、旧的教育方式于一身而江河日下的最典型的高校。
7．中国地质大学
地大的命运就是坎坷，解放后将全国最优秀的地质学家集中在北京创建了北京地质学院，后来南迁与武汉地院合并，成为后来地质大学的前身，但多数知名学者都留在了北京，造成了后来难以统一的趋势。八十年代以来，地质专业作为最差环境的专业北大多数学生所不屑一顾，地大的生源就成了问题，但还保持着强大的基础勉强维持。到九十年代问题就全面爆发，教师队伍不稳定，断层明显拉大，虽表面在地学领域里有领先的地位，但在市场经济的今天对考生已经没有多大的吸引力了。目前同处武汉的各大学都在大规模地重组，唯有地大稳座如泰山，真不知葫芦里卖的是什么药。实际上地大对于武大和华工都是难得的重要砝码，在武汉三镇中的三大研究生院之一，比同济医科大学孰高孰低明眼人还是看得出来的。
8．华东师范大学
曾与北师大并称为师大中的“双璧”，是
1959年第一批十六所全国重点院校之一，地处最大的工商城市上海，有良好的江浙文化作背景，是许多青年热衷追求的重点高校。改革开放后，臭老九的美名使人民对教师的行业僻之唯恐不及，这直接影响了华师大的生源和学校发展，这在九十年代表现得非常突出，与其原有实力及地处上海经济前沿的地位很不相称。在北师大发展非师范专业的同时，华师大没有抓住机遇，在上海其他高校的复旦、交大、同济都在市场中茁壮成长的时候，华师大也没有抓住机遇。华师的
SCI已经落后到 30名开外，不足北师大的一半，只能与地方的湖南师大等相提并论了。
９.哈尔滨工业大学
专业优势薄弱，学习空气差，同五六十年代，甚至八十年代初相比在专业队伍水平上滑坡很大。学生素质的退步尤其显著。
10.北京航空航天大学
在一大批老专家退下后，青黄不接，学校的领导能力不足，使学校上下低落，另外学生水准同以往相比也逊色不少
11.中国科技大学
从八十年代的辉煌逐渐跌入低谷，学生忙出国，老师想赚外块，导致学校的水平始终提不上去，学校的领导难负重望。
12.同济大学
学校始终偏于个别方向，导致学科发展后劲不足，目前已无无法与复旦交大相比。
13.厦门大学
未能充分利用有利条件，学校发展过于缓慢。
14.对外经济贸易大学
曾几何时，经贸大学作为外经贸部（商务部前身）直属院校风光无限。但随着优秀师资的大量流失，贸大风光不在。
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