基于光纤陀螺的小型化捷联航姿系统算法和实现研讨.pdf

基于光纤陀螺的小型化捷联航姿系统算法和实现研究 祝燕华 刘建业 杜亚玲 （南京航空航天大学自动化学院导航研究中心 江苏南京 210016） 摘 要 针对捷联航姿系统在小型化领域的应用需求，结合光纤陀螺自身的优点，本文研制开发 了基于光纤陀螺的小型化捷联航姿系统，综合和改进了一些有效的导航算法，包括内阻尼姿态算 法、简化的磁航向罗差修正算法和降阶式的卡尔曼滤波算法等，取得了显著的效果。试验表明， 本文研制的基于光纤陀螺的捷联航姿系统具有结构简单、体积小、重量轻、实时性好和精度高等 优点，对航姿系统在小型化领域的工程应用具有实际意义。 关键词 光纤陀螺 捷联航姿系统 内阻尼 低阶卡尔曼滤波器 磁航向罗差修正 1 引言 捷联惯性航姿系统是一种自主式航向姿态基准系统，由于其成本低廉、体积小和可靠性 [1] 高等方面的优势，在军事领域发挥着重要的作用 。目前，随着捷联航姿系统在许多小型化 应用领域的需求，开发满足不同体积和精度要求的捷联航姿系统具有实际意义。 本文研制了基于光纤陀螺的小型化捷联航姿系统。利用自行开发的 PC/104 导航计算机 平台、光纤IMU、磁传感器、大气机以及其他外围部件成功构建了结构简单、小型化的捷联 航姿系统；针对航姿系统对姿态精度、可靠性和实时性等方面的要求，在充分研究各种算法 的基础上，综合和改进了一些有效的算法并进行了相关软件程序的设计，从而实现了满足工 程应用的小型化、高精度、低成本的捷联航姿系统。 2 系统硬件实现 2.1硬件整体结构 捷联航姿系统在硬件结构上包括如下几个部分：光纤惯性测量组件、三维捷联磁传感器、 大气机、嵌入式PC104 导航计算机和航姿指示仪。导航计算机实时采集IMU、磁传感器和大 气机的输出信号，经过导航解算，实时输出高精度的姿态和航向角，供航姿指示仪显示。捷 联航姿系统硬件结构框图如图 1 所示： 2.2PC/104导航计算机 PC/104是嵌入式PC的机械电气标准，它的小结构尺寸使我们可以将其作为一个模块嵌 [2][3] 入到特定的应用基板中；而其与PC/AT 的兼容性又为软件的移植和硬件的开发带来方便 。 3 系统采用盛博科技公司的PC/104模块，其外观尺寸仅为90×96×15mm ，硬件资源十分丰 富，板上提供两个RS232 串行端口和一个并行端口，并且板上可栈接的连接器可以十分方便 地与各种栈接的外围模块相连接。因此，经过接口扩展后，该PC/104模块能完全满足导航计 算机的硬件需求。为了实现 RS232RS232串口串口 PC/104 模块与航姿指示仪的 惯测组件惯测组件 RSRS （（IMUIMU ）） 232232 PC/104PC/104 RS422A通讯，系统采用一块 导导 RS232-422/485 芯片MAX488 RS232RS232串口串口 RSRS 航航 RSRS RS422RS422串口串口 作为RS232 与RS422 接口标准 大气机大气机 232232 计计 422422 航姿指示仪航姿指示仪 之间的转换器件。 RS232RS232串口串口 算算 三维三维 RSRS 机机 3 系统导航算法 磁传感器磁传感器 232232 3.1内阻尼姿态算法