基于不同配置的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)性能研究

丁伯圣

摘 要：本文選取了9個低成本IMU正四面體斜交配置和同軸正交配置兩種方案來搭建系統(tǒng)，計算和仿真兩種配置下導航系統(tǒng)的可靠度和故障診斷能力。分析可知，斜交配置方式的可靠度和重構方式數(shù)量明顯優(yōu)于正交配置方式。

關鍵詞：配置方案;可靠度;故障診斷能力

中圖分類號：V249.328 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0024-03

Abstract： In this paper， nine low-cost IMU orthogonal and orthogonal collocation schemes were selected to build the system. The reliability and fault diagnosis ability of the navigation system were calculated and simulated under the two configurations. The conclusion show that the reliability and the number of reconstruction methods of skew configuration are better than those of orthogonal configuration.

Keywords： configuration scheme;reliability;fault diagnosis capability

基于MEMS-IMU的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)以其結構簡單、體積小、重量輕、成本低、易維護及可靠性高等優(yōu)點，在導航領域發(fā)揮著越來越重要的作用[1，2]。為提高導航系統(tǒng)的可靠性和精度，采用硬件冗余技術是目前的主流方式，即利用具有一定余度的較低可靠性的部件來提高系統(tǒng)的整體可靠性。

國內外對于冗余捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的研究主要集中在冗余配置方式研究、余度傳感器的管理研究等方面[3，4]，其研究對象多為航空航天等大型機構中的精度高、價格高的MEMS-IMU器件。本文以低成本MEMS-IMU器件為研究對象，選取兩種配置研究其在可靠性、性能指標及故障診斷能力等方面的差異。

1 配置方案選擇

冗余配置方式是捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的重要研究方向，可用的配置方案有很多種。慣性儀表的配置方案有兩種，即測量軸的正交配置方案和非正交配置方案。根據(jù)冗余系統(tǒng)進行平均無故障時間分析以及可靠性設計指標分析，本文選用由3套IMU、每套IMU含3個慣性敏感器件（陀螺或加速度計）組成的冗余系統(tǒng)，分別采用正交配置和斜交配置方案來搭建系統(tǒng)。

1.1 斜交配置方案

3套IMU正四面體冗余斜交配置方式如圖1所示。該配置方案中，IMU-1安裝在正四面體底面BCD上，其底面中心與正四面體底面中心重合，OX垂直于BC，OY平行于BC，將IMU-1的X、Y、Z軸分別與導航載體坐標系的X、Y、Z軸重合。將IMU-2、IMU-3分別安裝在側面ABC、ABD上，底面中心與正四面體側面中心重合，Z軸指向四面體外側，Y軸垂直于底邊。

1.2 正交配置方案

3套IMU正交配置方式如圖2所示。該配置方案中，3套相同的捷聯(lián)組件采用共支架、同軸同向安裝，每套IMU都是按常規(guī)的三軸正交安裝，可以認為是3個正交軸（X軸、Y軸、Z軸）上都安裝了3個相同的傳感器（AxAyAz，BxByBz和CxCyCz）。

2 不同配置方案性能比較

2.1 性能指標比較

3 結論

本文通過對采用斜交配置方案和正交配置的冗余慣性導航系統(tǒng)性能指標、可靠度及故障判斷能力進行比較分析，得出斜交配置方式的可靠度和重構方式數(shù)量優(yōu)于正交配置方式，且系統(tǒng)性能指標和故障判斷能力相差不大，可為工程應用的選擇提供參考。①在性能要求較高的精密儀器、大型設備及航空航天領域中應選用可靠度高、重構方式較多的斜交配置方式。②在低成本、便于安裝、可靠度要求不高的領域可選用低成本MEMS-IMU器件的正交配置方式。

參考文獻：

[1]Rutkiewiez R D，Stuelke R W. Inertial Measurement Unit and Method of Constructing the Same Using Two Orthogonal Surfaces：US8056412[P]. 2011-11-15.

[2]Pittelkau M E，O'Shaughnessy D J. Gyro Misalignment Decomposition Applied to MESSENGER Calibration[J].Advances in the Astronautical Sciences，2009（134）：1527-1539.

[3]Seokyu Kim，Byeungleul Lee，Joonyeop Lee，et al. A Gyroscope Array with Linked-beam Structure[J].Micro Electro Mechanical Systems，2001（6）：30-33.

[4]David S Bayard. High Accuracy Inertial Sensors From Inexpensive Components：US6882964[P].2003-10-02.