CN102589570A - 一种船用惯性导航系统单点海上校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性导航系统技术领域，为了解决“综合校准”方法中存在的校准数据采集时间长、校准精度不高的问题，本发明提出了一种单轴旋转调制捷联式惯性导航系统海上校准方法，船舶在码头初始启动后开始远航，船舶在海上航行一段时间，惯性导航系统积累一定导航误差需要校准时，根据本校准方法只需获得外部提供的一次单点位置导航数据，即可对系统进行校准，该方法不仅能够缩短校准数据采集的时间，而且还能进一步提高惯性导航系统精度。

Description

一种船用惯性导航系统单点海上校准方法

技术领域

本发明涉及惯性导航系统技术领域，具体涉及一种长航时船用惯性导航系统利用海上获得单个点的导航数据，进而进行校准提高精度的技术方法。

背景技术

船用惯性导航系统在船舶航行过程中，连续不断地自主计算并输出船舶的各种导航参数，包括船舶的速度、姿态、航向和所在位置的经度、纬度等数据。惯性导航系统这种不需要借助电磁波或光波与外部卫星或天体联系，而独立实现的导航功能的自主性是它的优点，但是惯性导航系统的误差，特别是它提供的位置经度和纬度的误差，随船舶航行时间的延长而不断增长累积。远洋船舶在海上航行时间很长，船用惯性导航系统需在海上连续工作数十天甚至数月，不断增长的位置经度和纬度误差就必然会超出允许的范围。因此船用惯性导航系统工作一段时间后，在有可能获得外部提供的准确导航数据时，为恢复和保证惯性导航系统的导航精度，需借助外部数据对惯性导航系统累计的误差进行校准。

通常采用“综合校准”方法恢复惯性导航系统原有精度，这种“综合校准”方法相当于在惯性导航系统不断电情况下，进行一次与码头系泊状态下初始启动类似的重新启动过程。“综合校准”需花费与初始启动时相同的长达5小时的时间，在这段时间内需要连续获得外部(如卫星导航)的信息。此外，这种类似带电重新启动的“综合校准”方法，与在码头系泊状态启动的工作机理相同，但是由于海上风浪较大，惯性导航系统的工作条件比码头系泊状态恶劣，综合校准后惯性导航系统的工作精度，最好情况下也只是接近码头系泊状态初始启动后的精度。

由此可见，通常采用的“综合校准”方法的工作机理，与码头系泊状态下进行的初始启动工作机理相类似。海上“综合校准”后，惯性导航系统精度通常会比码头初始启动后稍差，最好情况下也只能接近原有精度。此外还需要持续5小时有外部提供导航数据，这是“综合校准”方法缺陷。

发明内容

为了解决“综合校准”方法中存在的校准数据采集时间长、校准精度不高的问题，本发明提出了一种船用惯性导航系统单点海上校准方法，船舶在码头初始启动后开始远航，船舶在海上航行一段时间，惯性导航系统积累一定导航误差需要校准时，根据本校准方法只需获得外部提供一次单点位置导航数据，即可对系统进行校准，该方法不仅能够缩短校准数据采集的时间，而且还能进一步提高惯性导航系统精度。

一种船用惯性导航系统单点海上校准方法，该方法实现的具体步骤如下：

步骤一：船舶航行一段时间t，记此时刻为校准时刻，根据此时刻船舶上的惯性导航系统输出的位置数据以及卫星导航接收机提供的导航数据，得到：

δλ(t)＝λ′(t)-λ(t)              (1)

δL(t)＝L′(t)-L(t)                 (2)

φ_Z(t)＝K′(t)-K(t)                 (3)

其中，λ(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的单点位置经度，λ′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的位置经度，δλ(t)表示惯性导航系统航行工作时间累积的位置经度误差；L(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的单点位置纬度，L′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的位置纬度，δL(t)表示惯性导航系统航行工作时间累积的位置纬度误差；K(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的航向数据，K′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的航向数据，φ_Z(t)表示惯性导航系统输出的航向误差；

步骤二：根据惯性导航系统累计的位置误差δλ(t)和δL(t)、航向误差φ_Z(t)以及公式(4)，得到惯性导航系统误差源陀螺漂移(ε_x，ε_y，ε_z)的公式(5)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ\λ}\left(t\right)\\ \mathrm{\δL}\left(t\right)\\ {\mathrm{\φ}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -(\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}\sin L\sin \mathrm{\Ωt}+\cos \mathrm{Lt})& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}\sin \mathrm{\Ωt}-\sin \mathrm{Lt}\\ \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -\frac{\cos L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})\\ \frac{1-\cos \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}\cos L}& -\frac{\mathrm{tgL}\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_X\\ {\mathrm{\ϵ}}_Y\\ {\mathrm{\ϵ}}_Z\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_X\\ {\mathrm{\ϵ}}_Y\\ {\mathrm{\ϵ}}_Z\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -(\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}\sin L\sin \mathrm{\Ωt}+\cos \mathrm{Lt})& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}\sin \mathrm{\Ωt}-\sin \mathrm{Lt}\\ \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -\frac{\cos L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})\\ \frac{1-\cos \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}\cos L}& -\frac{\mathrm{tgL}\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ\λ}\left(t\right)\\ \mathrm{\δL}\left(t\right)\\ {\mathrm{\φ}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，Ω表示地球自转角速率，L表示纬度；

步骤三：采用惯性导航系统误差源陀螺漂移(ε_x，ε_y，ε_z)，对惯性导航系统进行补偿，由此实现对惯性导航系统的一次校准。

有益效果

①由本发明提供的公式(5)可见，为计算惯性导航系统误差源陀螺漂移，只需获得外部一次单点位置数据即可计算得出陀螺漂移，不需要像通常采用的“综合校准”方法那样，持续5小时连续不断获得外部提供导航数据，本方法缩短了获取外部提供导航数据时间，易于实施方便实用。

②本发明提供的单点位置数据校准方法，揭示了船用惯性导航系统误差增长机理。根据外部导航数据λ(t)、L(t)、K(t)和惯性导航系统输出的含有误差的导航数据λ′(t)、L′(t)、K′(t)计算得出的惯性导航系统导航数据误差量δλ(t)、δL(t)、φ_Z(t)，可计算出使惯性导航系统产生误差的误差源陀螺漂移(ε_x，ε_z，ε_y)，利用计算得出的陀螺漂移，对惯性导航系统进行修正补偿从而可进一步提高惯性导航系统精度。

附图说明

图1为单点位置数据校准方法实施流程图；

图2为惯性导航系统与外部导航数据关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种船用惯性导航系统单点海上校准方法，该方法采用的数据源于船舶装备的惯性导航系统与船舶卫星导航接收机，而船舶装备的惯性导航系统与船舶卫星导航接收机有信息接口，卫星天线获得的船舶位置经度和纬度数据可直接进入惯性导航计算机，船舶装备的惯性导航系统与船舶卫星导航接收机的关系示意图如图2所示。

基于上述基础，本实施例中模拟船舶航行过程中的惯性系统误差补偿。船舶在码头系泊状态下进行初始启动，如图1所示，其中初始启动时间为tc，为5小时，此时码头当地位置经度和纬度数据已知，速度为零。初始启动后离开码头开始航行，导航计算机开始计算时间t，航行数小时后惯性导航系统的导航数据积累一定误差，准备校准时，按下导航计算机操控按键，导航计算机根据机器中的算法软件自动运行校准程序，导航计算机高速运行，自动校准可在一个采样步长(0.1秒)内完成。其中，自动校准采用的方法如下：

惯性导航系统航行工作时间长度t，记此时刻为校准时刻，根据校准时刻卫星导航接收机提供的导航数据λ(t)、L(t)、K(t)以及惯性导航系统输出的导航数据λ′(t)、L′(t)、K′(t)，利用公式(1)、(2)和(3)计算惯性导航系统校准时刻的导航数据误差δλ(t)、δL(t)、φ_Z(t)。

根据惯性导航系统导航系数据误差利用公式(5)计算惯性导航系统误差源陀螺漂移(ε_x，ε_z，ε_y)，利用计算得出的惯性导航系统误差源陀螺漂移，对惯性导航系统进行修正补偿，进一步提高惯性导航系统精度。

Claims (1)

1.一种船用惯性导航系统单点海上校准方法，其特征在于：该方法实现的具体步骤如下：

步骤一：船舶航行一段时间t，记此时刻为校准时刻，根据此时刻船舶上的惯性导航系统输出的位置数据以及卫星导航接收机提供的导航数据，得到：

δλ(t)＝λ′(t)-λ(t)       (1)

δL(t)＝L′(t)-L(t)          (2)

φ_Z(t)＝K′(t)-K(t)          (3)

其中，λ(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的单点位置经度，λ′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的位置经度，δλ(t)表示惯性导航系统航行工作时间累积的位置经度误差；L(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的单点位置纬度，L′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的位置纬度，δL(t)表示惯性导航系统航行工作时间累积的位置纬度误差；K(t)表示校准时刻卫星导航接收机获取的航向数据，K′(t)表示校准时刻惯性导航系统输出的航向数据，φ_Z(t)表示惯性导航系统输出的航向误差；

步骤二：根据惯性导航系统累计的位置误差δλ(t)和δL(t)、航向误差φ_Z(t)以及公式(4)，得到惯性导航系统误差源陀螺漂移(ε_x，ε_y，ε_z)的公式(5)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ\λ}\left(t\right)\\ \mathrm{\δL}\left(t\right)\\ {\mathrm{\φ}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -(\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}\sin L\sin \mathrm{\Ωt}+\cos \mathrm{Lt})& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}\sin \mathrm{\Ωt}-\sin \mathrm{Lt}\\ \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -\frac{\cos L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})\\ \frac{1-\cos \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}\cos L}& -\frac{\mathrm{tgL}\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_X\\ {\mathrm{\ϵ}}_Y\\ {\mathrm{\ϵ}}_Z\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_X\\ {\mathrm{\ϵ}}_Y\\ {\mathrm{\ϵ}}_Z\end{array}\right]={\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -(\frac{\mathrm{tgL}}{\mathrm{\Ω}}\sin L\sin \mathrm{\Ωt}+\cos \mathrm{Lt})& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}\sin \mathrm{\Ωt}-\sin \mathrm{Lt}\\ \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})& -\frac{\cos L}{\mathrm{\Ω}}(1-\cos \mathrm{\Ωt})\\ \frac{1-\cos \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}\cos L}& -\frac{\mathrm{tgL}\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}& \frac{\sin \mathrm{\Ωt}}{\mathrm{\Ω}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ\λ}\left(t\right)\\ \mathrm{\δL}\left(t\right)\\ {\mathrm{\φ}}_Z\left(t\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中，Ω表示地球自转角速率，L表示纬度；

步骤三：采用惯性导航系统误差源陀螺漂移(ε_x，ε_y，ε_z)，对惯性导航系统进行补偿，由此实现对惯性导航系统的一次校准。

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