本书以光纤陀螺及其旋转惯导系统为背景，从光纤陀螺误差特性分析与建模、旋转惯导系统传统误差源的调制特性分析与标定、旋转性误差的分析与抑制、不同旋转方案的误差特性、旋转惯导系统的误差校正等方面展开研究。系统分析了光纤陀螺误差特性，提出了光纤陀螺的温度漂移补偿模型与随机误差的分析方法；系统梳理了旋转惯导系统的误差传播理论，综合分析了旋转惯导系统传统误差源的调制特性，提出了旋转惯导系统的优化双轴旋转方案；在此基础上，研究了实现高精度旋转控制的实现算法。最后，从系统层面阐述了无外信息源条件下，系统振荡性误差的阻尼校正与状态切换超调等误差抑制技术。查峰，博士生导师，国家自然科学基金评审专家、IEEE Sensors Journal、MST、武汉大学学报等权威期刊评审专家。从事惯性导航及其应用方向的教学和科研工作，主要研究方向为新型惯性导航与信息融合。近年来，先后获军队科技进步二等奖3项，湖北省科技进步二等奖2项，授权专利与软著12项，发表论文40余篇，出版专著3部。围绕专业方向主干课程，积极开展课堂教学与教学改革实践，主持和参与教学改革项目4项，获军队教学成果一等奖1项，大学优秀教学成果一等奖1项，大学优秀教育科研二等奖2项，主持课程建设2门，参编教材7部，2门课程被评为军队优质微课。第 1 章 绪论 ?????????????????????????????????????????????????????????????.1 1.1 惯性导航系统 ?????????????????????????????????????????????????.3 1.1.1 惯性导航系统的起源 ―陀螺导航 ???????????????.3 1.1.2 惯性导航系统的发展 ????????????????????????????????.4 1.2 旋转惯导系统概述 ?????????????????????????????????????????.10 1.2.1 旋转惯导系统研究现状 ???????????????????????????.10 1.2.2 旋转惯导系统关键技术 ???????????????????????????.14 1.2.3 旋转惯导系统发展趋势 ???????????????????????????.18 第 2 章 旋转惯导系统的误差模型 ??????????????????????????????????.21 2.1 常用坐标系定义 ????????????????????????????????????????????.23 2.2 捷联惯导系统误差特性 ???????????????????????????????????.25 2.2.1 捷联惯导系统基本原理 ???????????????????????????.25 2.2.2 系统常见误差源 ???????????????????????????????????.27 2.2.3 误差源对 IMU 量测的影响 ???????????????????????.29 2.2.4 捷联惯导系统误差方程 ???????????????????????????.30 2.3 旋转惯导系统的误差特性 ?????????????????????????????????.34 2.3.1 旋转惯导系统基本原理 ???????????????????????????.34 2.3.2 旋转惯导系统误差方程 ???????????????????????????.35 2.3.3 不同旋转方案的旋转矩阵表示 ???????????????????.38 2.3.4 旋转轴运动及误差描述 ???????????????????????????.44 第 3 章 旋转惯导系统的误差分析与仿真 ?????????????????????????.47 3.1 单轴旋转惯导系统误差分析 ??????????????????????????????.49 3.1.1 常值漂移特性 ??????????????????????????????????????.493.1.2 刻度系数误差特性 ?????????????????????????????????.50 3.1.3 安装误差的调制特性 ??????????????????????????????.53 3.1.4 随机漂移特性 ??????????????????????????????????????.54 3.1.5 小结 ?????????????????????????????????????????????????.55 3.2 双轴旋转惯导系统误差分析 ??????????????????????????????.56 3.2.1 常值漂移特性 ??????????????????????????????????????.56 3.2.2 刻度系数误差特性 ?????????????????????????????????.57 3.2.3 安装误差的调制特性 ??????????????????????????????.61 3.2.4 随机漂移特性 ??????????????????????????????????????.65 3.2.5 小结 ?????????????????????????????????????????????????.65 3.3 系统旋转性误差分析 ??????????????????????????????????????.67 3.3.1 旋转轴不正交误差分析 ???????????????????????????.67 3.3.2 器件测角误差分析 ?????????????????????????????????.68 3.3.3 换向超调误差分析 ?????????????????????????????????.69 3.3.4 转速控制误差分析 ?????????????????????????????????.70 3.4 单轴旋转惯导误差仿真 ???????????????????????????????????.71 3.5 多系统综合误差仿真 ??????????????????????????????????????.77 3.5.1 常值漂移的误差仿真 ??????????????????????????????.77 3.5.2 刻度系数误差仿真 ?????????????????????????????????.79 3.5.3 安装误差仿真 ??????????????????????????????????????.82 3.5.4 随机误差仿真 ??????????????????????????????????????.83 3.5.5 载体运动影响仿真 ?????????????????????????????????.85 3.6 本章小结 ????????????????????????????????????????????????????.88 第 4 章 典型旋转惯导系统的旋转策略优化 ??????????????????????.89 4.1 双轴旋转方案及误差分析 ?????????????????????????????????.91 4.1.1 传统 16 位置方案 ??????????????????????????????????.91 4.1.2 改进的 16 位置旋转调制方案 ????????????????????.97 4.2 旋转调制方案仿真实验分析 ?????????????????????????????.102 4.2.1 常值误差调制仿真分析 ??????????????????????????.1024.2.2 刻度系数误差调制仿真分析 ????????????????????.103 4.2.3 安装误差调制仿真分析 ??????????????????????????.104 4.2.4 综合误差调制仿真分析 ??????????????????????????.106 4.3 旋转调制方案实物实验验证 ?????????????????????????????.108 4.3.1 旋转调制实验设备及方案 ???????????????????????.109 4.3.2 旋转调制实验结果 ????????????????????????????????.111 4.4 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????.113 第 5 章 基于 IMU 体对角线的旋转策略优化 ????????????????????.115 5.1 基 于 IMU 体对角线旋转惯导系统误差模型 ???????????.117 5.2 基 于 IMU 体对角线旋转惯导系统误差分析 ???????????.119 5.2.1 旋转调制姿态误差分析 ??????????????????????????.119 5.2.2 旋转调制速度误差分析 ??????????????????????????.123 5.3 体对角线旋转调制方案仿真验证 ???????????????????????.125 5.3.1 常值误差调制仿真分析 ??????????????????????????.125 5.3.2 刻度系数误差调制仿真分析 ????????????????????.126 5.3.3 安装误差调制仿真分析 ??????????????????????????.127 5.3.4 综合误差调制仿真分析 ??????????????????????????.128 5.4 其他旋转方案仿真分析及实施基础 ????????????????????.131 5.4.1 其他旋转方案仿真分析 ??????????????????????????.131 5.4.2 体对角线方案实施基础 ??????????????????????????.132 5.5 本章小结 ???????????????????????????????????????????????????.132 第 6 章 旋转惯导误差在线标定技术 ??????????????????????????????.135 6.1 卡尔曼滤波器建模及可观测度分析 ????????????????????.137 6.1.1 30 维卡尔曼滤波方程 ????????????????????????????.137 6.1.2 基于协方差的可观测度分析 ????????????????????.139 6.2 外场在线标定方案 ????????????????????????????????????????.141 6.2.1 传统 18 位置外场在线标定方案 ????????????????.141 6.2.2 改进 30 位置外场在线标定方案 ????????????????.142 6.3 标定方案仿真实验分析 ??????????????????????????????????.1446.3.1 仿真实验安排及参数设置 ???????????????????????.144 6.3.2 标定方案可观测度分析 ??????????????????????????.147 6.3.3 标定方