动态捷联式找北系统理论与实验研究

• 作 者: 李本亮
• 机 构: 清华大学
• 出 处: 清华大学
• 发表日期: 2001年期
• 关键词: 找北系统 动态捷联 地球自转速率 惯性测量 方位信息

惯性技术发展水平是衡量一个国家科技水平和军事实力的重要标志之一。找北系统是惯性测量技术的一个重要应用，它通过陀螺、加速度计等惯性器件检测地球自转速率的水平分量来获得北向方位信息。捷联式找北系统不仅可以用作独立的找北系统，也可以捷联在其他载体上，用来指示其方位。它独有的体积小、自主性高、抗干扰能力强等优点，在导弹发射、武器瞄准、大地测量、煤炭开采和石油探井等军事与民用领域具有重要的应用价值。
为提高找北系统的找北精度的同时，降低系统的反应时间，提出了两种动态找北系统实现方案，通过转台的旋转调制地球自转角速率的北向分量。一种是基于Coriolis效应的非陀螺找北系统实现方案，另一种是动态陀螺找北方案。论文采用四元数矢量分析的方法描述了动态找北系统的数学模型，并分析了可能的误差源，提出了相应的抑制方法，为消除转台同频扰动的影响，提出基座四位置法和扰动建模法；为进一步验证中低精度陀螺、加速度计在中高精度动态找北系统中理论的可实现性，对过采样理论、相关检测技术在动态找北系统的应用进行了计算机仿真研究；结合现实可能技术条件，成功研制了两套动态找北系统试验样机，即基于石英挠性加速度计的动态非陀螺找北系统和基于压电晶体陀螺的动态陀螺找北系统，并进行了大量的试验研究，用科学实验的方法充分验证了动态找北系统理论的正确性和实现的可行性；在上述试验的基础上，对激光陀螺在动态找北系统的应用进行了实验验证，为动态找北理论在高精度找北系统的应用提供了实验依据；最后，结合实验结果和理论分析，论文提出了系统的改进建议，并对动态捷联找北系统的应用前景进行了瞻望。
动态非陀螺找北系统中，使用静态阈值为5×10-6g的加速度计，进行动态调制。通过四位置法消除同频扰动后，逐日重复性精度为：0.304°(1σ)，反应时间少于2min.，相当于0.06°/h精度的陀螺单次测量的找北精度。
动态陀螺找北系统中，使用2.53°/h的压电晶体陀螺，逐日重复性精度为：0.097°(1σ)，反应时间少于10min.，相当于把陀螺的输出随机噪声降低了2个数量级，即达到0.02°/h的陀螺单次测量的找北精度。
激光陀螺动态找北实验中，使用零偏稳定性为0.250°/h(采样时间为10s)的四频差动激光陀螺，在5min.找北时间内，重复精度为0.05°(1σ)，达到了中等精度找北系统的要求，找北误差小于1mil.。