光学陀螺旋转式惯导系统的动态自标定理论及方法研究

该项目利用动态系统的可观测性理论和卡尔曼滤波方法，深入研究光学陀螺旋转式惯导系统中的动态自标定模型与理论，深入分析惯性测量组合(IMU)在不同转动路径下各种误差参量的可观测性和误差传播规律，并针对激光陀螺双轴旋转式惯导系统，探讨利用系统自身转轴实现系统在动态环境下对惯性元件的安装方位误差、标度因数误差、零偏误差、二次项系数误差等参量进行自动标定与校正的理论和方法。本项目的研究内容主要包括：(1)自标定的系统误差模型、误差传播规律及卡尔曼滤波方法的理论研究；(2)IMU不同转动路径下的各种误差分析和系统可观测性分析；(3)自标定的最优路径及动态环境下的自标定方案研究。通过上述研究，能够改进光学陀螺旋转式惯导系统中惯性元件各种误差的校正方法，并解决激光陀螺双轴旋转式惯导系统在舰船系泊或航行状态下的自标定问题，这对提高光学陀螺旋转式惯导系统的精度、可靠性、自主性等均具有重要价值与意义。

为满足旋转式惯性导航系统在动态环境下的自标定要求，项目深入研究了光学陀螺旋转式惯导系统中的动态自标定模型与理论，并针对激光陀螺双轴旋转式惯导系统，提出了一套利用系统自身转轴实现动态自标定的方法。项目的主要研究工作包括：（1）研究了适应于动态自标定的惯性导航系统误差方程和卡尔曼滤波计算方法，得到了适用于全球任意位置大动态情况下的ψ角误差方程，建立了卡尔曼滤波观测值的计算方法和自标定的33维卡尔曼滤波计算模型；（2）研究了光学陀螺惯性测量组合不同转动路径下的数学平台误差和可观测性，提出了一种25位置光学陀螺惯导系统自标定路径，并在三轴转台上进行了实验验证和分析；（3）研究了适用于双轴转动的光学陀螺惯导系统动态自标定方法，设计了一套包含着六个转动路径的自标定方案，对四频差动激光陀螺的标度因数、安装误差的标定精度达到1ppm；（4）进行了动态自标定的实验研究，主要是基于所提出的动态自标定方案，设计编写了双轴惯导系统的动态自标定程序，并结合实际的激光陀螺双轴旋转式惯导系统，进行了室内摇摆实验、跑车试验、海上试验等大量的动态自标定及导航试验。项目的研究有如下意义：（1）提出的惯性导航系统误差方程及其卡尔曼滤波计算方法，适用于全球任意位置和大动态情况，对于研究惯导系统的动态自标定、初始对准、组合导航等均具有实用价值；（2）提出的25位置光学陀螺惯导系统自标定路径，对于惯导系统室内高精度标定测试及长期稳定性研究具有实用意义；（3）提出双轴动态自标定方法，有效地提高了光学陀螺旋转式惯导系统的精度和可靠性，目前已作为关键技术应用到了两个重要项目的旋转式惯导系统上，将为相关装备能力的提升作出贡献。