惯性测量单元是惯性导航系统的核心元件,不需要与外界通讯,即可得到载体的位姿信息,实现自主导航。在激光通讯卫星、遥感成像卫星等天基光学平台中,内部机械运动与太空物理环境产生的千赫兹微角振动会导致光束稳定性变差与成像分辨率降低,因此平台需要获取这些微角振动信息进行反馈补偿。基于磁流体动力学(mhd)的新型角速度传感器尤其适合空间高频微角振动的测量,美国ATA公司已将基于mhd微角振动传感器的宽频带惯性测量单元应用于上述天基光学平台中,而国内尚无相应传感器应用的研究。本课题对基于mhd/MEMS组合测量的宽频带惯性测量单元若干关键问题进行了如下研究:首先,提出了宽频带惯性测量单元的设计要求,并确定了系统方案。重点分析了mhd微角振动传感器宽频带特性,并针对其低频段衰减严重的问题,提出了利用MEMS陀螺仪补偿mhd微角振动传感器低频特性的方案,实现宽频带角速度测量。然后确定了mhd微角振动传感器、MEMS陀螺仪与石英挠性加速度计,并使用Lab VIEW软件编写了数据采集程序,最后对惯性测量单元输出误差进行了建模分析。其次,设计了惯性测量单元台体的机械结构,并采用有限元分析方法在ANSYS软件上对台体结构进行了仿真分析。分析项目为包括模态分析、谐响应分析、瞬态响应分析与随机振动分析在内的动力学仿真分析,不同环境温度下的热力学仿真分析和热-动力学耦合仿真分析,分析结果表明台体结构满足测量及环境适应性要求。第三,采用了基于Allan方差的解耦自适应卡尔曼滤波信号融合算法,对mhd微角振动传感器与MEMS陀螺仪信号进行融合,实现0～1 k Hz宽频角速度组合测量。最后在MATLAB软件上实现了本算法,实验证明本算法将传感器静态噪声降低了1个数量级,且单频和混频信号的均方误差降低至融合前的30%,信噪比改善超过10 d B。最后,设计了惯性测量单元的标定方案,并搭建了实验平台进行标定实验。使用MATLAB软件处理实验数据得到了误差参数,并对惯性测量单元输出进行补偿,补偿后输出精度提高了1个数量级,证明了标定方法的实用性。
暂无评论