CN103323023A - 一种船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法，包括：确定船舶初始位置，采集加速度等数据，进行初始对准，计算初始捷联矩阵计算导航速度Vⁿ(k)，计算机体速度V^b(k)，通过机体速度计算出前进速度

Description

一种船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法

技术领域

本发明涉及一种对船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法。 

背景技术

电磁计程仪是根据法拉第电磁感应现象所制成的船舶计程仪，由于它具有较高的灵敏度，并且它无管路系统，所以它不受海水成分及气泡的影响，工作稳定可靠，受到众多厂商的青睐。目前我国主要使用的电磁计程仪的型号为CDJ_5型以及JD_5W型电磁计程仪。 

电磁计程仪的基本原理是先用海水切割磁感应线而产生的电压，然后根据电压来确定船舶速度，电压和速度的转换可以用计程仪脉冲实现，即 

V＝K(N(t)+δN(f))   (1) 

其中V为传船舶速度，K为标度因子，N(t)为计数脉冲，δN(t)为计程仪计数误差。 

在电磁计程仪的应用中需要精确的标度因子来保证测速和定位。但在船舶的航行中往往会因为受到风浪的干扰、器件的磨损、海水成分的变化以及以其他因素的影响，造成标度因子发生变化。 

目前已经有不少人研究此类问题，并且提出了一些不错的方法，如宋红江发表的《组合导航算法及其在SINS/GPS/DVL组合导航系统中的应用》，以及谢伟铠在《大连海运学院学报》上发表的《CDJ-4型电磁计程仪可靠性分析》。 

前者主要依靠GPS提供的位置信息来校正标度因子误差，这种方法过于依靠GPS，但由于GPS信息存在获取的不确定性，此种方法存在一定的局限性，后者利用卡尔曼滤波方程来修正误差，但是它的误差随着时间而发散，不适合长时间的路程。这二者均是针对车辆，在船舶捷联惯导系统中运用的电磁计程仪并无相应的方法。 

本发明提出了一种实时的计程仪标度因子辨识，利用船舶捷联惯导信息，计算出当前船舶速度，再利用带遗忘因子的最小二乘法进行迭代测量，校正船舶电磁计程仪的标度因子误差，有效的解决了上述问题，并且不用依靠GPS等外部信息，结合船舶捷联惯导系统，满足船舶长时间在海上航行的要去。 

发明内容

在船舶的导航系统中，包含船舶捷联惯导系统和船舶电磁计程仪，船舶捷联惯导系统输出船舶导航速度及捷联矩阵，电磁计程仪输出脉冲，转化为船舶前进速度。 

在正常航行的低动态环境下，速度误差δV随时间是缓慢变化的，而且呈后缀现出一定的振荡趋势。静基座条件下，速度误差的振荡形式包括舒乐振荡、地球周期振荡和傅科振荡三种震荡方式。速度误差的这种缓变性使短时间间隔△t内的速度误差变化δV(t+Δt)-δV(t)很小。这种缓变性可以用于计程仪标度因子的辨识。 

设t时刻船舶捷联惯导系统处于导航状态，导航系统输出的船舶速度为V(t)，计程仪标度因子为K，那么： 

V(t)＝K(N(t)+δN(t))   (1) 

其中δN(t)为计程仪计数误差。 

由于短时间内，计程仪的计数误差是随机的，那么上式可以表示为： 

y(t)＝Kx(t)+Δ   (2) 

其中，y(t)＝V(t+Δt)-V(t)，x(t)＝N(t+Δt)-N(t)，Δ＝K(δN(t+Δt)-δN(f))，Δ可以视为白噪声。 

因为船舶导航系统的采样都是离散的，所以我们可以用递推的方法来校正标度因子K。 

为满足计程仪标度因子辨识的实时性，本发明采用减小记忆递推最小二乘法对计程仪标度因子进行辨识，通过初始标度因子，初始方差矩阵以及捷联惯导系统输出的速度及捷联矩阵，实时递推与校正标度因子K，并加入遗忘因子μ，既满足实时性要求又有效的解决了数据饱和的现象。 

附图说明

图1是本发明的流程图 

具体实施方式

1、船舶启动，开动发动机，把捷联惯导系统和电磁计程仪与船舶主系统相连接。 

2、通过外部设备(如GPS等)确定船舶的初始位置(包括经度和纬度)，将它们装订至船舶捷联惯性导航系统的导航计算机中。 

3、船舶捷联惯性导航系统进行预热(具体预热时间可以参见船舶捷联惯性导航系统的使用说明)。 

4、采集光纤陀螺和石英加速度计的输出数据。 

5、对采集到的陀螺和加速度计数据进行处理，进行解析式粗对准，获得初始的捷联矩阵

6、使船舶捷联惯性导航系统在正常工作在K时刻，采集船舶捷联惯性导航系统测量得到k时刻导航坐标系下的速度 

$V^n\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{V}_E^n\left(k\right)\\ V_N^n\left(k\right)\\ V_U^n\left(k\right)\end{array}\right]$

其中上角标表示导航坐标系n系，下角标E、N、U分别表示导航坐标系的东轴、北轴和天轴，并且有k＝1，2，…，M， 

7、捷联惯导系统进行实时更新测量，输出k时刻的捷联矩阵

然后根据该捷联矩阵把导航坐标系上的速度转换为机体坐标系上的速度 

$V^b\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{V}_x^b\left(k\right)\\ V_y^b\left(k\right)\\ V_z^b\left(k\right)\end{array}\right]$

其中为沿着船体指向右侧的速度，为沿着船体指向正前方的速度，

为沿着船体中心指向天空的方向，而电磁计程仪所记录速度为我们通常意义下船舶向正前方的前进速度，所以既为k时刻船舶纵向速度，既通常意义下的船舶速度，记录下

8、根据电磁计程仪上的示数读取此时脉冲数x(k)，测量参数L(k)、方差矩阵P(k)。 

其中得L(k)，p(k)测量方法为 

L(k)＝p(k-1)[x(k)-x(k-1)]/[[x(k)-x(k-1)]p(k-1)[x(k)-x(k-1)]+μ] 

$P\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{\μ}}[1-L\left(k\right)[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right]P(k-1)$

9、利用步骤8计算所得的参数L(k)，读取的目前的脉冲数x(k)、船舶纵向 速度

以及预先选取的遗忘因子μ来实时更新k时刻的标度因子K(k)。 

其中更新标度因子的方法为 

$K\left(k\right)=K(k-1)+L\left(k\right)[V_y^b\left(k\right)-K(k-1)x\left(k\right)]$

11、进入船舶导航系统采样下一时刻，跳转值步骤6，重复执行步骤6至步骤9，当执行1200次以后，得到校正后的电磁计程仪标度因子K； 

12、将校正后的电磁计程仪标度因子K装订至电磁计程仪中，完成校正过程。 

本发明还包括如下特征： 

(1)在船舶刚开始的初始时刻t₀，船舶的初始速度为0，初始脉冲x(0)＝0，初始标度因子K(0)＝δ，δ为计程仪说明书给出的标准值，初始方差矩阵p(0)＝10⁶*I，遗忘因子一般选择μ＝0.95可以达到比较好的效果。 

(2)捷联惯导的结算周期为T，一般T＝0.1s，速度采样的时间间隔为t＝7T。 

依照上述步骤，船舶在航行的过程中，标度因子K得到了准确的实时更新，为船舶测速，停泊，定位等方面提供了准确的数据，避免了标度因子引起的一系列问题。 

Claims (2)

1.一种船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法，其特征是包括如下具体步骤：

步骤1：船舶启动，预热船舶捷联惯导系统，输入初始位置信息，并且采集陀螺的和加速度计的输出信息。

步骤2：通过步骤1中的初始位置信息和陀螺、加速度计采集信息，对捷联惯导系统进行初始对准，获得初始的捷联惯导系统捷联矩阵

步骤3：捷联惯导系统进行实时更新测量，输出k时刻的捷联矩阵

步骤4：由捷联惯导系统测量得到导航坐标系下的速度Vⁿ(k)，并通过Vⁿ(k)测量得到k时刻的船舶前进速度

步骤5：读取电磁计程仪的k时刻脉冲数x(k)，并对测量参数L(k)、方差矩阵P(k)进行实时测量。

L(k)＝P(k-1)[x(k)-x(k-1)]/[[x(k)-x(k-1)]P(k-1)[x(k)-x(k-1)]+μ]

$P\left(k\right)=\frac{1}{\mathrm{\μ}}[1-L\left(k\right)[x\left(k\right)-x(k-1)\left]\right]P(k-1)$

其中，初始方差矩阵P(0)＝10⁶*I，(I是单位矩阵)，遗忘因子选取μ＝0.95；

步骤6：由上述步骤所得测量参数L(k)、方差矩阵P(k)、脉冲数x(k)、船舶前进速度

以及预先选取的遗忘因子μ实时更新标度因子K(k)

$K\left(k\right)=K(k-1)+L\left(k\right)[V_y^b\left(k\right)-K(k-1)x\left(k\right)]$

其中，初始标度因子K(0)＝δ，δ为计程仪说明书给出的标准值，

步骤7：进入船舶捷联惯导系统、电磁计程仪采样下一时刻，跳转到步骤3，重复执行步骤3至步骤6，当执行1200次以后，得到校正后的电磁计程仪标度因子K；

步骤8：将校正后的电磁计程仪标度因子K装订至电磁计程仪中，完成校正过程。

2.根据权利要求1所述的船舶电磁计程仪标度因子的实时校正方法，其特征还包括：

1)步骤4船舶前进速度的测量过程为：由Vⁿ(k)与

测量得到k时刻载体坐标系下的速度

$V^b\left(k\right)={\left[C_b^n\left(k\right)\right]}^T{V}^n\left(k\right)$

其中[]^T表示转置，V^b(k)的矢量形式为

$V^b\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}{V}_x^b\left(k\right)\\ V_y^b\left(k\right)\\ V_z^b\left(k\right)\end{array}\right]$

其中

为所求船舶前进速度；

2)K(k-1)，P(k-1)，L(k-1)表示系统k时刻的前一时刻，即k-1时刻的各项数值。

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