船用衛(wèi)星天線微型姿態(tài)測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、MEMS慣性器件具有成本低、體積小、功耗低、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著器件性能的不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，但MEMS陀螺儀的精度較低，尚未達(dá)到船舶慣性導(dǎo)航設(shè)備的應(yīng)用要求。論文依托實(shí)驗(yàn)室在研項目，開展基于MEMS慣性器件的船用衛(wèi)星天線微型姿態(tài)測量系統(tǒng)研究，在實(shí)現(xiàn)船用天線穩(wěn)定系統(tǒng)的低成本的同時，為MEMS慣性器件在船舶慣性設(shè)備中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 論文結(jié)合MEMS慣性器件的性能特點(diǎn)與姿態(tài)測量系統(tǒng)的精度要求，對姿態(tài)測量系統(tǒng)的總體

2、設(shè)計、MEMS陀螺儀信號處理、系統(tǒng)捷聯(lián)矩陣的更新算法等幾項關(guān)鍵技術(shù)開展了研究。 針對MEMS陀螺儀姿態(tài)系統(tǒng)誤差積累較快的缺點(diǎn)，利用加速度計與磁強(qiáng)計構(gòu)成的測量系統(tǒng)與陀螺儀系統(tǒng)組合，使組合姿態(tài)測量系統(tǒng)能夠同時具有穩(wěn)定的長期精度和較好的動態(tài)性能。提出了將微型測量系統(tǒng)與天線基座固聯(lián)的安裝方案，提高了磁強(qiáng)計的標(biāo)定精度，并保證系統(tǒng)在天線跟蹤丟失時能夠連續(xù)工作。推導(dǎo)了此方案下的姿態(tài)系統(tǒng)到穩(wěn)定平臺的角度轉(zhuǎn)換公式，證明方案可行。 鑒于ME

3、MS陀螺儀較大的隨機(jī)誤差對系統(tǒng)動態(tài)精度影響較大，論文在對其誤差分量特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上開展了MEMS陀螺儀的隨機(jī)誤差辨識技術(shù)研究。在利用陀螺信號的Allan方差分析結(jié)果辨識誤差系數(shù)時，針對目前常用的圖解法與最小二乘擬合法的不足，提出了對陀螺儀數(shù)據(jù)分頻采集、對Allan方差結(jié)果分段擬合的實(shí)驗(yàn)方法，得到了對陀螺儀隨機(jī)誤差參數(shù)的較好的辨識結(jié)果。 開展基于小波閾值收縮方法的MEMS陀螺儀輸出信號降噪技術(shù)研究，結(jié)合姿態(tài)測量系統(tǒng)的工作要求，對影

4、響降噪效果的主要因素進(jìn)行了深入分析。針對通用閾值準(zhǔn)則及普通軟、硬閾值函數(shù)的不足，根據(jù)MEMS陀螺輸出噪聲特點(diǎn)，提出了一種基于自適應(yīng)雙曲閾值的小波降噪方法對MEMS陀螺儀信號進(jìn)行降噪。仿真試驗(yàn)表明，與普通小波閾值降噪法相比，采用此方法能夠?qū)ν勇輧x信號更有效地降噪。 以MEMS陀螺儀測量信息為狀態(tài)向量、以加速度計及磁強(qiáng)計測量信息為量測向量構(gòu)建Kalman濾波方程。推導(dǎo)出兩種基于四元數(shù)誤差模型的系統(tǒng)基本方程，針對此類非線性模型的不足，

5、提出了采用偽量測向量模型對天線姿態(tài)測量系統(tǒng)建模的設(shè)計方案。推導(dǎo)出具有雙偽量測向量的系統(tǒng)方程和狀態(tài)依賴條件下的系統(tǒng)狀態(tài)及量測噪聲協(xié)方差陣，并對四元數(shù)歸一化的合理實(shí)施進(jìn)行了分析，最終推導(dǎo)出具體的Kalman濾波算法方程。仿真試驗(yàn)表明，此算法可較好地實(shí)現(xiàn)陀螺儀、加速度計和磁強(qiáng)計的信息融合，并能克服大的初始對準(zhǔn)誤差影響，適合于本系統(tǒng)使用。 開展了針對變化的系統(tǒng)狀態(tài)及量測噪聲特性的自適應(yīng)姿態(tài)算法的研究。根據(jù)MEMS陀螺儀誤差特性變化幅值較