空间稳定型惯导系统分析与设计
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摘要
静电陀螺仪是迄今为止精度最高的陀螺仪，用于水下高精度长时间连续导航系统，以往都是以静电陀螺监控器的形式和液浮陀螺惯导系统组合使用，这种组合系统存在体积大，成本高等缺点，目前国外已开始直接采用静电陀螺仪构成惯性导航系统，而静电陀螺仪的不可施矩性决定它只能采用空间稳定型编排方案，本文对空间稳定型惯导系统进行分析与设计，论文的主要工作有：
推导了全球引力场、正常引力场和扰动引力场模型，给出了CGCS2000型参考地球模型作为空间稳定型惯导系统的导航基准，定义了文中所用坐标系，推导了各坐标系之间的转换关系。
提出了以惯性系为导航系的空间稳定型惯导系统方案，推导了系统误差方程。指出采用系统本身的位置计算引力模型中的位置矢量模会造成系统误差随时间呈指数增长，提出了引入外测高度计算位置矢量模的引力修正方法，从而抑制了引力误差造成的系统发散。分析并仿真验证了相对惯性系（导航系）静止状态下，各误差源对空间稳定型惯导系统的影响。
针对舰船沿地球表面运动的情况，设计了船用空间稳定型惯导系统方案，该方案首先解算出相对惯性空间的导航信息，通过导航信息转换得到对地导航信息，并采用地球平均半径代替了引力模型中的位置矢量模。推导了相对惯性空间导航误差与相对地球导航误差之间的转化关系。分析并仿真验证了相对地球静止状态下，各误差源对空间稳定型惯导系统的影响，并与相对惯性系静止状态下的系统误差特性进行了比较分析。
提出了一种以地理系为导航系的船用空间稳定型惯导系统方案，该方案可直接解算出对地导航信息且不需要重力补偿，推导了该方案的误差方程，分析并仿真验证了静基座状态下各误差源对系统的影响。为了与基于地理系方案进行比较，推导了以对地导航误差为变量的空间稳定型惯导系统原方案误差方程，结果表明两种方案的误差大小基本一致，而误差传播规律存在差异。
提出了捷联式船用空间稳定型惯导系统方案，分析并仿真验证了静基座状态下器件误差对捷联式系统的影响，并与平台式空间稳定型惯导系统进行了比较研究，结果表明两种系统的惯性器件指向不同造成两者的误差特性不同。最后基于自研的光纤陀螺仪，搭建了一套捷联式空间稳定型惯导试验系统，并进行了实验室长时间静态试验，验证了理论分析的正确性。
So far, electrically suspended gyroscope (ESG) is the highest precise gyroscope forhigh-precision and long-time continuous underwater navigation system. In the past it is in theform of the electrically suspended gyroscope monitor (ESGM) combining with inertialnavigation system based on liquid floated gyroscope. But this group system has shortcomingsof large-volume and high-cost. Current foreign countries have begun to constitute inertialnavigation system based on ESG directly. ESG can not force moment, so it can only usemechanical configuration of space stabilized inertial navigation system (SSINS). The paperanalyzes and designs SSINS. The major tasks include:
Firstly, the global gravitational field model, normal gravitational field model anddisturbance gravitational field model are derived. Then we give the reference earth model ofCGCS2000as the navigation basis for SSINS. Finally, we define the coordinate frame usedin the paper and derive the transformation relationship between them.
The scheme of SSINS whose inertial frame is used for navigation frame is proposed, andthe system error equation is derived. We point out that the system error grows exponentiallyover time which is caused by the system itself in order to calculate the position vector modulein the gravitational model, and then put forward gravity correction method for introducingexternal height to calculate the position vector module. This method inhibits the systemerror divergence aroused by gravity. This paper analyzes and emulates the influence ofvarious error sources for SSINS on the stationary state related to inertial frame (navigationframe).
The scheme of marine SSINS is designed. The scheme bases on ship moving along thesurface of the Earth. Firstly, this scheme calculates navigation information related to inertialspace, and then through coordinate transformation gained navigation information related tothe ground. And the average earth radius replaces the position vector module in thegravitational model. Conversion relationship between the navigation error related to inertialspace and the navigation error related to earth is derived. We analyze and emulate theinfluence of various error sources for marine SSINS on the stationary state related to earth.The comparative analysis of the error characteristics between the stationary state related toinertial space and the stationary state related to earth is studied.
The scheme of marine SSINS whose geographic coordinate frame is used for navigationframe is proposed. The scheme can calculate navigation information related to earth directlyand does not require gravity compensation. The scheme's error equation is derived. Analysis and simulation to verify the influence of various error sources in the static base is done. Forcomparative study with this new scheme, the error equation of the original scheme of SSINSwhose variables is navigation error related to earth is derived. The results show that the errormagnitude of the two schemes is same, but the law of error propagation is different.
The scheme of strapdown marine SSINS is proposed. We analyze and emulate theinfluence of inertial instruments errors for strapdown system in the state of stationary base.And comparative study with platform SSINS is done. Because the direction of inertialinstruments is different, making platform and strapdown SSINS is no longer thesame. Finally, a strapdown SSINS bases on fiber optic gyroscopes is built, laboratory statictest verify the correctness of theoretical analysis.
推导了全球引力场、正常引力场和扰动引力场模型，给出了CGCS2000型参考地球模型作为空间稳定型惯导系统的导航基准，定义了文中所用坐标系，推导了各坐标系之间的转换关系。
提出了以惯性系为导航系的空间稳定型惯导系统方案，推导了系统误差方程。指出采用系统本身的位置计算引力模型中的位置矢量模会造成系统误差随时间呈指数增长，提出了引入外测高度计算位置矢量模的引力修正方法，从而抑制了引力误差造成的系统发散。分析并仿真验证了相对惯性系（导航系）静止状态下，各误差源对空间稳定型惯导系统的影响。
针对舰船沿地球表面运动的情况，设计了船用空间稳定型惯导系统方案，该方案首先解算出相对惯性空间的导航信息，通过导航信息转换得到对地导航信息，并采用地球平均半径代替了引力模型中的位置矢量模。推导了相对惯性空间导航误差与相对地球导航误差之间的转化关系。分析并仿真验证了相对地球静止状态下，各误差源对空间稳定型惯导系统的影响，并与相对惯性系静止状态下的系统误差特性进行了比较分析。
提出了一种以地理系为导航系的船用空间稳定型惯导系统方案，该方案可直接解算出对地导航信息且不需要重力补偿，推导了该方案的误差方程，分析并仿真验证了静基座状态下各误差源对系统的影响。为了与基于地理系方案进行比较，推导了以对地导航误差为变量的空间稳定型惯导系统原方案误差方程，结果表明两种方案的误差大小基本一致，而误差传播规律存在差异。
提出了捷联式船用空间稳定型惯导系统方案，分析并仿真验证了静基座状态下器件误差对捷联式系统的影响，并与平台式空间稳定型惯导系统进行了比较研究，结果表明两种系统的惯性器件指向不同造成两者的误差特性不同。最后基于自研的光纤陀螺仪，搭建了一套捷联式空间稳定型惯导试验系统，并进行了实验室长时间静态试验，验证了理论分析的正确性。
So far, electrically suspended gyroscope (ESG) is the highest precise gyroscope forhigh-precision and long-time continuous underwater navigation system. In the past it is in theform of the electrically suspended gyroscope monitor (ESGM) combining with inertialnavigation system based on liquid floated gyroscope. But this group system has shortcomingsof large-volume and high-cost. Current foreign countries have begun to constitute inertialnavigation system based on ESG directly. ESG can not force moment, so it can only usemechanical configuration of space stabilized inertial navigation system (SSINS). The paperanalyzes and designs SSINS. The major tasks include:
Firstly, the global gravitational field model, normal gravitational field model anddisturbance gravitational field model are derived. Then we give the reference earth model ofCGCS2000as the navigation basis for SSINS. Finally, we define the coordinate frame usedin the paper and derive the transformation relationship between them.
The scheme of SSINS whose inertial frame is used for navigation frame is proposed, andthe system error equation is derived. We point out that the system error grows exponentiallyover time which is caused by the system itself in order to calculate the position vector modulein the gravitational model, and then put forward gravity correction method for introducingexternal height to calculate the position vector module. This method inhibits the systemerror divergence aroused by gravity. This paper analyzes and emulates the influence ofvarious error sources for SSINS on the stationary state related to inertial frame (navigationframe).
The scheme of marine SSINS is designed. The scheme bases on ship moving along thesurface of the Earth. Firstly, this scheme calculates navigation information related to inertialspace, and then through coordinate transformation gained navigation information related tothe ground. And the average earth radius replaces the position vector module in thegravitational model. Conversion relationship between the navigation error related to inertialspace and the navigation error related to earth is derived. We analyze and emulate theinfluence of various error sources for marine SSINS on the stationary state related to earth.The comparative analysis of the error characteristics between the stationary state related toinertial space and the stationary state related to earth is studied.
The scheme of marine SSINS whose geographic coordinate frame is used for navigationframe is proposed. The scheme can calculate navigation information related to earth directlyand does not require gravity compensation. The scheme's error equation is derived. Analysis and simulation to verify the influence of various error sources in the static base is done. Forcomparative study with this new scheme, the error equation of the original scheme of SSINSwhose variables is navigation error related to earth is derived. The results show that the errormagnitude of the two schemes is same, but the law of error propagation is different.
The scheme of strapdown marine SSINS is proposed. We analyze and emulate theinfluence of inertial instruments errors for strapdown system in the state of stationary base.And comparative study with platform SSINS is done. Because the direction of inertialinstruments is different, making platform and strapdown SSINS is no longer thesame. Finally, a strapdown SSINS bases on fiber optic gyroscopes is built, laboratory statictest verify the correctness of theoretical analysis.
引文
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