陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统误差参数估计方法研究.pdf

国防科学技术大学
博士学位论文
陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统误差参数估计方法研究
姓名:张红良
申请学位级别:博士
专业:控制科学与工程
指导教师:查亚兵
2010-10
国防科学技术大学研究生院博士学位论文
摘要
随着我国激光陀螺生产技术的成熟,研究和利用陆用高精度激光陀螺捷联惯
导系统成为热点。本文以提高陆用高精度激光陀螺捷联惯导系统性能为目的,研
究了 IMU 标定、零速修正和惯导系统全局可观性分析等误差参数估计方法。论文
的主要工作和创新点如下:
1. 推导了基于高精度转台的 IMU 标定方法的误差解析式,提出了一种抑制转
台误差的标定编排改进方案。建立了 IMU 标定参数模型,采用三轴正反转和 24
位置静态测试编排方式,推导了基于高精度转台的 IMU 标定方法计算公式。建立
了转台误差模型和 IMU 测量误差模型,理论推导并用仿真和实验证明了标定误差
的解析式,建立了标定精度和转台精度、惯性器件精度的定量关系,指出了角秒
级转台的标定精度极限。分析指出由于存在转台误差,传统标定编排中基准系不
正交,陀螺和加速度计标定基准系不一致,提出了一种抑制转台误差的标定编排
改进方案,实现了基准系的正交和一致,实验表明标定编排改进方案提高了 IMU
的标定精度。
2. 研究了静态多位置 IMU 模观测标定方法,提出了转动激励模和矢量观测标
定方法,研究了利用 IMU 测量转台误差的方法。转动激励模和矢量观测标定方法
克服了目前模观测标定方法的一些不足,从原理上降低了标定对转台的依赖,实
验表明激光陀螺捷联惯导系统 IMU 标定精度优于基于角秒级高精度转台的标定方
法。提出了最优编排的概念,研究了标定中的最优编排设计问题,利用敏感度函
数方法和矢量几何方法给出了一组近似最优的编排方案。作为转动激励模和矢量
观测标定方法的拓展应用,研究了利用标定后的 IMU 测量转台误差的方法,为转
台误差测量提供了全新的研究思路。
3. 研究了两种 IMU 系统级标定方法:拟合方法和滤波方法。分别基于转台信
息和基于惯导测量信息推导了系统级标定拟合方法,讨论了载体系的约束问题,
指出了 12 个安装误差角存在 3 组耦合的根本原因,仿真证明了系统级标定拟合方
法的有效性,表明基于惯导测量信息的拟合标定方法对转台的精度要求更低。建
立了系统级标定滤波方法的滤波器模型,结合实际考虑了有无杆臂两种情形,仿
真证实了方法的有效性。将系统级标定滤波方法应用于某型高精度激光陀螺捷联
惯导系统,考虑了尺寸效应,实验表明标定精度优于基于角秒级高精度转台的标
定方法。
4. 研究了激光陀螺捷联惯导系统的零速修正技术。分析了 IMU 标定误差对惯
导系统导航误差的影响,通过仿真和实验共同证实了捷联惯导系统存在姿态运动
时,IMU 标定误差作用规律复杂,系统导航误差不遵循低频振荡规律,影响零速
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修正的效果,指出 IMU 精确标定是保证捷联惯导系统零速修正精度的关键。对精
确标定后的高精度激光陀螺捷联惯导系统进行两组零速修正实验,修正间隔约
10min 时,水平定位误差小于 7m(CEP),修正间隔约 20min 时,水平定位误差
小于 39m(CEP)。
5. 分析了惯导系统参数的全局可观性。从可观性定义出发,利用创新性的全
局可观性分析方法,分析了一般情形、静态多位置情形和仅考虑惯性器件零偏情
形下的惯导系统参数的可观性,得到了一些全新的结论,进行了相关仿真验证,
表明目前广泛采用的基于系统线性化的可观性分析方法具有一些缺陷,理论上不
严谨,分析结论不具有全局意义。




关键词:惯性导航;激光陀螺;误差参数估计;标定;零速修正;可观性
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Abstract
With the development of ring laser gyroscope (RLG) produce technology in our
country, research and utilization of the land high-precision RLG strapdown inertial
navigation system (LHPRLG-SINS) have been attractive. To improve the performance
of the LHPRLG-SINS, this thesis investigates theory and methods of error para