基于半球諧振陀螺儀的姿態(tài)測量系統(tǒng)研究.pdf

1、半球諧振陀螺以其精度高,穩(wěn)定性強,可靠性高,抗沖擊性良好,抗輻射能力卓越以及壽命長的特點,非常適合在空間飛行器等長時間工作場合使用。開展基于半球諧振陀螺的長壽命姿態(tài)測量系統(tǒng)的研制,將對我國空間技術(shù)的發(fā)展,特別是長壽命衛(wèi)星的工程實施,有著極其深遠的意義。本文以研制基于半球諧振陀螺的高性能姿態(tài)測量系統(tǒng)為目的,針對制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。其中關(guān)鍵技術(shù)包括:半球諧振陀螺漂移機理及補償技術(shù)、慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)初始對準技術(shù)、基于半球諧振

2、陀螺與星敏感器的組合姿態(tài)測量系統(tǒng)技術(shù)等。具體研究安排如下:
　　在慣性器件級層面,由于半球諧振陀螺的漂移是系統(tǒng)的最大誤差源,因此開展參數(shù)漂移的機理、建模和補償研究是提高系統(tǒng)性能的最有效手段。針對陀螺漂移,開展了兩種誤差源的研究:其一,研究了陀螺表頭結(jié)構(gòu)誤差對陀螺性能的影響。表頭結(jié)構(gòu)誤差主要通過影響振動檢測系統(tǒng)及激勵系統(tǒng)而導(dǎo)致陀螺漂移,為此首先對拾振器結(jié)構(gòu)及電容間隙變化等問題深入研究,結(jié)合諧振子二階諧振狀態(tài)下形變的動力學方程,建立了

3、半球諧振陀螺振動檢測系統(tǒng)仿真模型。同時,通過對多電極作用下諧振子的動力學特性研究,以及對振幅控制系統(tǒng)與振型角控制系統(tǒng)的耦合分析,建立了半球諧振陀螺激勵系統(tǒng)仿真模型。然后將表頭結(jié)構(gòu)誤差引入到振動檢測系統(tǒng)及激勵系統(tǒng)的仿真模型中。通過仿真研究,對表頭結(jié)構(gòu)誤差中的可標定誤差提出了標定補償方法,對不可標定誤差給出了定量評估的模型,為表頭加工和裝配精度指標的確定提供了理論依據(jù)。其二,研究了加速度作用下半球諧振陀螺的漂移機理。首先通過求解諧振子的動力

4、學方程,給出了低頻加速度作用下諧振子變形的解析形式。其次完成了諧振子變形對半球諧振陀螺振動檢測系統(tǒng)及激勵系統(tǒng)的影響分析,最終提出了一種能夠極大減小加速度對陀螺影響的振動檢測方案與諧振子激勵方案。并建立了加速度導(dǎo)致陀螺漂移的靜態(tài)誤差模型,通過半球諧振陀螺在重力場中的翻滾試驗給予了驗證。通過對試驗數(shù)據(jù)殘差的進一步分析,給出了陀螺制造及裝配的改進措施。
　　在慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)級層面,為提高系統(tǒng)初始對準精度,縮短對準時間,研究了大方位失準

5、角靜基座初始對準問題。提出了基于高斯-厄米特濾波器的初始對準方法。針對高斯-厄米特濾波器中的均值和協(xié)方差陣的多元非線性高斯積分求解問題,利用初始對準誤差方程的非線性是由大方位失準角導(dǎo)致的特點,將高維積分轉(zhuǎn)化成一元數(shù)值積分,在不損失精度前提下,解決了高斯-厄米特濾波器在對準應(yīng)用的“維數(shù)災(zāi)難”問題。將此算法用于實際系統(tǒng),對比于擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波方法,結(jié)果表明在大方位失準角條件下,提高了對準精度,縮短了對準時間。
　　在組合

6、系統(tǒng)級層面,研制了基于半球諧振陀螺與星敏感器的組合姿態(tài)測量系統(tǒng)。為解決當觀測到的導(dǎo)航星數(shù)量小于3顆時松組合系統(tǒng)無法進行數(shù)據(jù)融合的問題,提出了基于慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)的快速星圖識別方法,給出了基于HRG與星敏感器緊組合姿態(tài)測量系統(tǒng)的構(gòu)建形式和濾波方法。最后系統(tǒng)測試表明,緊組合系統(tǒng)使得上述問題得到了較好的解決,增加了組合系統(tǒng)的全天域適應(yīng)性。
　　最終,將上述的一系列技術(shù)措施應(yīng)用于課題所研制的基于半球諧振陀螺的姿態(tài)測量系統(tǒng)工程樣機中,并通過