MEMS慣導系統的誤差自修正技術研究

知識 02-09

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摘要

針對當前MEMS慣性器件漂移誤差大的問題，提出一種無需外界信息輔助的誤差自補償方案。通過引入旋轉調製技術實現器件偏差的對稱平均，通過理論推導分析慣性器件標度因數誤差和安裝誤差對於誤差旋轉調製技術的影響。利用高精度慣性測試轉檯搭建誤差旋轉實驗平台並進行誤差自修正方法的實際性能驗證。實驗結果表明了誤差旋轉調製方法對於改善MEMS慣導系統的導航精度的有效性。本文研究可為MEMS慣導系統的獨立工作提供理論研究與工程應用參考。

引用格式

孫偉，丁偉，徐愛功，等.MEMS慣導系統的誤差自修正技術研究 [J]．測繪科學，2017，42（1）:119-123.

正文

MEMS慣導系統具有體積小、重量輕、耗能低等優勢在軍事、民航、汽車、測繪等領域得到推廣。綜合考慮MEMS技術具有的戰略重要性，國外對精度優於1 °/h的MEMS陀螺儀對中國實行嚴格的出口限制。雖然我國有眾多研究機構、大學等先後開展MEMS設備研發，並已有相應產品，但目前可應用的MEMS慣性器件普遍存在漂移大的弊端，成為影響系統獨立自主工作的主要原因，是今後相當長的一段時間內待解決的技術問題。目前，通過改善加工工藝來提高MEMS慣性器件的性能在短時間內仍無法實現。為實現MEMS慣導系統的獨立自主工作，本文擬通過引入誤差調製技術平均MEMS慣性器件誤差並利用實驗結果驗證誤差調製技術研究方向的可行性。

基於小波降噪技術可以實現對慣性器件高頻隨機擾動信息的有效濾除，但陀螺漂移和加速度計零偏依舊是影響導航解算精度的主要因素。採用機械轉動的誤差修正技術實質上是一種誤差自補償技術，利用IMU周期性轉動完成對慣性器件慢變誤差的調製是在現有器件精度的條件下實現更高精度導航的有效方法。基於誤差調製技術的慣導系統結構發生變化，旋轉機構的存在導致IMU與載體不再固連，但整個系統的解算過程依然採用捷聯演算法。

由於慣導系統中的加速度計一般具有較好的穩定性和精度，因此，對慣導誤差特性的分析主要集中在對MEMS陀螺儀的研究。通過分析對比可確定MEMS陀螺儀的數學模型中一般包括常值和慢變漂移、標度因數和安裝誤差。其中，標度因數和安裝誤差通過耦合運動角速度並在對應三個敏感軸投影后產生相應的角速度測量誤差。因此，本方案涉及對慣導系統誤差特性的分析實質是圍繞轉動過程對MEMS陀螺儀標度因數和安裝誤差的影響分析。

論文以國內MEMS慣性器件精度在短時間內難以實現快速提高而面臨的技術瓶頸問題為研究背景，藉助信號處理學中的平均技術思想，提出一種基於IMU轉動的MEMS器件偏差調製方法，揭示器件誤差調製本質並分析IMU機械轉動下的MEMS慣導誤差特性。搭建實驗室機理驗證平台，對比IMU靜止及不同轉動速度下的MEMS慣導解算誤差。通過對比實驗曲線可看出IMU旋轉角速度越大，系統相對精度越高，但結合實際工作需求，沒必要選擇非常大的旋轉角速度，因為這將增加機械結構和加速度計的負擔。該結果有效地驗證了IMU旋轉調製技術對於改善系統測姿定位精度的可行性，在現有MEMS器件精度基礎上實現更高精度導航成為可能。

作者簡介：孫偉（1984－），男，黑龍江蘿北人，教授，博士生導師。研究方向為慣性技術及應用。

基金項目：國家自然科學基金(41304032)；高等學校博士學科點專項科研基金（新教師類）(20132121120005)；第8批中國博士後科學基金特別資助項目(2015T80265)；遼寧省高等學校傑出青年學者成長計劃(LJQ2015044)；遼寧省自然科學基金；對地觀測技術國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目(K201401)；江西省數字國土重點實驗室開放研究基金資助項目(DLLJ201501)；地球空間環境與大地測量教育部重點實驗室開放基金(14-01-05)

E-mail:sunwei-3775235@163.com

2017年（第42卷）第1期

MEMS慣導系統的誤差自修正技術研究