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光纤陀螺捷联惯组姿态算法改进研究
摘要
本论文研究了光纤陀螺捷联惯组姿态算法的改进。首先介绍了光纤陀螺和捷联惯组的原理和特点，然后对现有的姿态算法进行了分析和比较，并提出了改进方案。改进方案主要针对现有算法的不足之处进行了优化，包括算法复杂度高、鲁棒性差等问题。改进后的算法在模拟实验和实际应用中都取得了较好的效果，证明了其能够更准确地确定姿态角，并且具有更好的鲁棒性和稳定性。
关键词：光纤陀螺，捷联惯组，姿态算法，鲁棒性，稳定性
Abstract
Thispaperstudiestheimprovementofattitudealgorithmforfiberopticgyroscopeandinertialnavigationsystem.Firstly,theprinciplesandcharacteristicsoffiberopticgyroscopeandinertialnavigationsystemareintroduced,andthentheexistingattitudealgorithmsareanalyzedandcompared.Finally,theimprovementplanisproposed.Theimprovementplanmainlyoptimizestheshortcomingsoftheexistingalgorithms,includinghighalgorithmcomplexityandpoorrobustness.Theimprovedalgorithmhasachievedgoodresultsinsimulationexperimentsandpracticalapplications,provingthatitcandetermineattitudeanglemoreaccuratelyandhasbetterrobustnessandstability.
Keywords:fiberopticgyroscope,inertialnavigationsystem,attitudealgorithm,robustness,stability
正文
一、引言
光纤陀螺和捷联惯组是惯性导航系统中常用的传感器。它们可以通过测量物体的加速度和角速度以及其他参数来确定物体的位置、方向和速度等信息。姿态算法是捷联惯组在空间中确定物体姿态的方法之一。这个问题是惯性导航中最基本和最重要的问题之一，因为姿态角决定了导航系统在天空中的方向、速度和位置等参数。
然而，由于光纤陀螺和捷联惯组在实际过程中受到噪声、骚扰和偏差等干扰因素的影响，导致姿态算法存在一些不足之处。例如，算法复杂度高、精度不够、鲁棒性差等。本文的目的是通过改进算法，提高姿态算法的精度和鲁棒性，提高惯性导航系统的性能。
二、光纤陀螺和捷联惯组基本原理和特点
1.光纤陀螺原理
光纤陀螺是一种利用光学效应来测量物体角速度的装置。它利用光束在光纤中传输的旅行时间和旋转角度的关系来检测旋转。光纤陀螺的基本原理是法拉第效应，它利用光的波长变化和干涉现象来实现旋转测量。法拉第效应是指当光束穿过介质时，由于介质本身的电磁性质与光的波长和方向不同而产生的干涉现象。当这种效应用于光纤陀螺时，光束会沿光纤的路径传输并发生相位变化，这个变化可以用来确定物体的角速度。
2.捷联惯组原理
捷联惯组是一种利用两个或多个惯性传感器进行导航的方法。它使用加速度计和陀螺仪等传感器来测量物体的加速度和角速度，并且使用滤波、计算、比较和矫正等技术来确定物体的姿态。捷联惯组的优点是它可以测量物体相对于惯性坐标系的加速度和角速度，而不需要参考任何外部信息。
捷联惯组的主要问题是由于传感器本身的噪声、漂移和误差等因素，导致测量值不准确。这就需要使用一些算法来对测量值进行处理，例如卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波等。
三、光纤陀螺捷联惯组姿态算法分析
目前，常用的光纤陀螺捷联惯组姿态算法主要有Mahoney算法、Madgwick算法、Ekf算法等。这些算法都有各自的优缺点，如表1所示。
表1主要姿态算法比较
|姿态算法|优点|缺点|
|---|---|---|
|Mahoney算法|速度快，适合实时应用|精度不够|
|Madgwick算法|精度高，鲁棒性强|算法复杂|
|Ekf算法|坚定、精确的姿态估计|算法复杂|
这些算法都有各自的优点和不足之处，但不可避免地存在一些问题。例如，Mahoney算法的复杂度相对较低，但精度不够，Madgwick算法的精度高，但算法复杂，Ekf算法的姿态估计比较精确，但计算复杂度也比较高。
四、光纤陀螺捷联惯组姿态算法改进
通过对上述姿态算法的分析和比较，本文提出了一种改进的方案。主要包括以下几个步骤：
1.优化Mahoney算