导航定位技术旋转调制的原理及应用

1、旋转调制技术的原理及应用 组员：赵志鑫、荆涛 目录 CONTENTS 01 旋转调制技术的背景 02 旋转调制技术的原理 03 旋转调制技术的发展及应用 01 旋转调制技术的背景 旋转调制技术的背景 惯性导航系统是一种通过惯性测量元件陀螺和加速度计，测量运动载 体的角速率和加速度信息，经积分运算得到运动载体的姿态角、速度 和瞬时位置等导航参数的自主式导航系统。 惯性导航系统具有完全自主、不受干扰 、隐蔽性强 、输出 信息量大 、输出信息实时性强等优点，广泛应用于军事、 民用领域 旋转调制技术的背景 陀螺仪和加速度计的输出误差主要是由零位常值误差、标度因数误差、安装 角误差和随机误差组成。 kk

2、kk yCub 1 kkkk uCyb 标定计算 误差模型 导航信息经过积分而产生，长期工作精度差。通常情况下为了补偿偏差，需 要对系统实时补偿或者用外部观测信息来校正 作为一种误差自补偿技术，旋转调制技术能够对惯性器件的零位误差进行调 制，从而消除零位误差对系统精度的影响，使系统可以长时间地自主工作 02 旋转调制技术的原理 旋转调制技术的原理 捷联惯性导航系统原理示意图 将惯性测量元件（三轴陀螺和三轴加速度计）直接固联在运动载体上，惯性元件输出的就 是载体相对于惯性空间的角速度和加速度，并将测得数据输出到数学平台通过计算机进行 解算，得出载体的姿态角和位置信息。 旋转调制技术的原理 姿态更

3、新算法 01 b系载体坐标系 n系导航坐标系 n b Cbn由 系到 系的 坐标变换矩阵 姿态更新是指根据惯性器件的输出实时计算出航向角 、俯仰角 和滚转角 旋转调制技术的原理 姿态更新算法 01 （1）坐标转换矩阵法 12 1 11222 n ZXY nnnbbb OX Y ZOX YZOX Y ZOX Y Z 绕轴绕轴绕轴 旋转旋转旋转 cos cossin sinsincos sinsin cossinsin cos sincoscoscossin sin coscos sinsinsin sincos cossincos cos b n C 32 31 33 12 22 =arcsin

4、() arctan() arctan() T T T T T 112131 122232 132333 b n TTT CTTT TTT 记 bbkb nnbn CC 姿态矩阵微分方程： 旋转调制技术的原理 姿态更新算法 01 （2）四元数法 0123 cossin 22 R Qqq iq jq ku 2222 012312031302 2222 120301232301 2222 130223010123 ) ) 2(2( 2(2( 2)2()( n b qqqqq qq qq qq q q qq qqqqqq qq q q qq qq qq qqqq C q 1 2 b nb dQ Q d

5、t 四元数微分方程： 坐标转换矩阵法需要求解九个未知量，而四元数法只需求解四个未知量， 计算量相对比较小，数值稳定性好，因此选择四元数法 n b QC解算思路： 、 、 旋转调制技术的原理 旋转调制的自补偿原理 02 给惯性测量组件加上转动机构和测角装置，导航解算先算出IMU的姿态，再根据IMU相对 于载体的转动得到载体的姿态信息 将IMU坐标系定义为s系，原点位于IMU的重心，三轴指向器件敏感轴方向 旋转调制型捷联惯性导航系统原理示意图 旋转调制技术的原理 旋转调制的自补偿原理 02 旋转调制方案 旋转轴个数: 单轴或多轴。单轴旋转最大的缺陷在于沿旋转轴方向的误差无法被调制，但其优势也非常明

6、 显，如成本低、结构简单、可靠性高。 多轴旋转可以调制所有常值误差，但复杂度和成本会大幅增加。 旋转方向: 单向旋转或正反旋转。 单向旋转对电机控制要求较低，但需要配置导电滑环，导致成本增加、 可靠性降低。 正反旋转需要完成电机换向，控制难度增加。 旋转连续性：连续旋转或不连续旋转。连续旋转方案中IMU以恒定角速度旋转，常值误差被调制为正余弦 信号；不连续旋转方案中，IMU 转过一定角度后停在当前位置一段时间，再继续转向下一个停止位置。 旋转速度：旋转调制的效果和旋转速度有关，旋转速度越快，误差抑制效果越明显。但实际中由于过快的 旋转速度会带来控制难度增大等问题，故旋转速度不可过大，要根据器件

7、特点、系统应用场合等确定。 旋转调制技术的原理 旋转调制的自补偿原理 02 解算思路 zs ys xs 单轴旋转式捷联惯导系统结构框架 直接求解出的是 ，要得到 ，需进行如下转换 n s C n b C 获得姿态矩阵 之后，即可确定载体的航向角、俯仰角和横滚角。 n b C 加速度计 陀螺仪 cossin0 sincos0 001 s b C = nns bsb CC C(s系IMU坐标系) 其中， 为IMU绕竖直方向旋转的角度 旋转调制技术的原理 旋转调制的自补偿原理 02 非旋转轴方向上的恒定误差被调制成周期变化信号，通过数学积分运算使得误差得到 抵消补偿，不会随积分而线性累加 旋转轴方向

8、上的恒定误差未被调制，和非旋转调制型系统一样，定位误差随时间增长 而积累，可以与其他观测量通过数据融合来补偿 cossin sincos sss Exxy nsss Nsyxy ss Uzz C 误差分析 旋转调制技术的原理 仿真验证 03 经旋转调制，y轴及z轴上的误差得到了调制，x轴的误差没有受到调制 03 旋转调制技术的发展及应用 旋转调制技术的发展及应用 1968年，国外便有学者提出：通过旋转IMU可以补偿惯性元件的漂移误差。 20世纪70年代，美国将壳体翻滚自动补偿技术应用于静电陀螺中，使与其配备的舰船惯导系统获得长时间 的工作精度。 1979 年，Pinson 阐述了在捷联系统中转

9、动惯性组件改进系统性能的方法。 20世纪80年代，Sperry公司开始了机械抖动激光陀螺单轴旋转惯导系统的研制， 90年代发展了MK39Mod3C单轴旋转系统，随后改进实现了WSN-7B单轴旋转系 统，经测试具有0.6n mile/24h的平均位置精度。这两种型号产品满足冲击、震动、 噪声等军用环境测试要求，被大量装备于很多国家和地区的水面舰船和潜艇。 1989年，MK49型双轴旋转激光陀螺惯导系统经过海试后，被选为北约组织船用 惯性导航的标准系统。其导航精度高达0.39n mile/30h。 国外发展 单轴旋转系统WSN-7B 旋转调制技术的发展及应用 国外发展 由于光纤陀螺与激光陀螺相比具

10、有结构组成与制造工艺相对简单、可靠性与 精度的潜力更大、无须机械抖动及高压启动等许多特点，20世纪80年代后 期，美国海军开始研究光纤陀螺应用于舰船导航，于2003年完成第三代光 纤陀螺样机ADM 的研制任务，进一步结合光纤陀螺与旋转调制技术。 通过对比可以看出，与无旋转惯导系统相比，旋转式惯导系统的导航位置精度大为提高，尤其适用于舰船、潜 艇等需要长时间自主导航的场合。目前，国外的单轴、双轴旋转捷联惯导系统已经大量装备海军，替代到达服 役期限的平台系统，三轴旋转捷联系统正处于实验阶段，这一点足以反映采用旋转调制方式的捷联系统在成本 及导航精度上的优势。 旋转调制技术的发展及应用 当前国内有多家研究机构开展了旋转式惯导系统的研究工作，对单轴、双轴及三轴旋转式惯导系统的原理 及方案进行了探讨。国防科学技术大学龙兴武教授团队研制了船用单轴旋转惯导系统，静态导航的定位精 度优于1n mile/5day。中航工业618所研制的激光陀螺双轴旋转惯导系统的精度可达2n mile/5day，航天 科工33所目前已有多款激光陀螺单轴和双轴旋转惯导系统产品。 光纤陀螺旋转惯导系统的研制起步比较晚，目前还没有定型产品，而基于微