基于不同配置的捷联惯性导航系统性能研究

丁伯圣

摘 要：本文选取了9个低成本IMU正四面体斜交配置和同轴正交配置两种方案来搭建系统，计算和仿真两种配置下导航系统的可靠度和故障诊断能力。分析可知，斜交配置方式的可靠度和重构方式数量明显优于正交配置方式。

关键词：配置方案;可靠度;故障诊断能力

中图分类号：V249.328 文獻标识码：A 文章编号：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的捷联惯性导航系统以其结构简单、体积小、重量轻、成本低、易维护及可靠性高等优点，在导航领域发挥着越来越重要的作用[1，2]。为提高导航系统的可靠性和精度，采用硬件冗余技术是目前的主流方式，即利用具有一定余度的较低可靠性的部件来提高系统的整体可靠性。

国内外对于冗余捷联惯性导航系统的研究主要集中在冗余配置方式研究、余度传感器的管理研究等方面[3，4]，其研究对象多为航空航天等大型机构中的精度高、价格高的MEMS-IMU器件。本文以低成本MEMS-IMU器件为研究对象，选取两种配置研究其在可靠性、性能指标及故障诊断能力等方面的差异。

1 配置方案选择

冗余配置方式是捷联惯性导航系统的重要研究方向，可用的配置方案有很多种。惯性仪表的配置方案有两种，即测量轴的正交配置方案和非正交配置方案。根据冗余系统进行平均无故障时间分析以及可靠性设计指标分析，本文选用由3套IMU、每套IMU含3个惯性敏感器件（陀螺或加速度计）组成的冗余系统，分别采用正交配置和斜交配置方案来搭建系统。

1.1 斜交配置方案

3套IMU正四面体冗余斜交配置方式如图1所示。该配置方案中，IMU-1安装在正四面体底面BCD上，其底面中心与正四面体底面中心重合，OX垂直于BC，OY平行于BC，将IMU-1的X、Y、Z轴分别与导航载体坐标系的X、Y、Z轴重合。将IMU-2、IMU-3分别安装在侧面ABC、ABD上，底面中心与正四面体侧面中心重合，Z轴指向四面体外侧，Y轴垂直于底边。

1.2 正交配置方案

3套IMU正交配置方式如图2所示。该配置方案中，3套相同的捷联组件采用共支架、同轴同向安装，每套IMU都是按常规的三轴正交安装，可以认为是3个正交轴（X轴、Y轴、Z轴）上都安装了3个相同的传感器（AxAyAz，BxByBz和CxCyCz）。

2 不同配置方案性能比较

2.1 性能指标比较

3 结论

本文通过对采用斜交配置方案和正交配置的冗余惯性导航系统性能指标、可靠度及故障判断能力进行比较分析，得出斜交配置方式的可靠度和重构方式数量优于正交配置方式，且系统性能指标和故障判断能力相差不大，可为工程应用的选择提供参考。①在性能要求较高的精密仪器、大型设备及航空航天领域中应选用可靠度高、重构方式较多的斜交配置方式。②在低成本、便于安装、可靠度要求不高的领域可选用低成本MEMS-IMU器件的正交配置方式。

参考文献：

[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.