CN104776847A - 一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法。水下航行器进入导航状态后，惯导系统计算并输出导航参数；多普勒计程仪测得航行器对地的艏艉速度；将惯导系统输出的地理坐标系下的东向速度和北向速度减去地理坐标系下的多普勒计程仪的东向速度和北向速度得到t时刻速度误差；根据速度误差得到天向陀螺漂移；根据天向陀螺漂移对惯导系统天向陀螺仪输出进行补偿。本发明利用一点外部速度信息进行陀螺漂移估计，能够提高惯导系统精度。

Description

一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法

技术领域

本发明属于惯性导航领域，尤其涉及单轴旋转惯导系统利用一点外部速度信息进行陀螺漂移估计的，一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法。

背景技术

船用惯性导航系统在船舶航行的过程中，会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、航向及所在位置的经纬度信息。但是对于工作时间较长的舰船和水下航行体使用的惯性导航系统来说，在导航过程中产生的误差会随时间积累，从而引起较大的系统误差，因此，要解决长周期误差增长必须定期地依靠外部信号对系统实行校正，这种校正技术也被称之为系统重调。

通过对惯导系统的误差分析可知，惯导系统的误差主要来自陀螺的漂移，因此，对于长时间使用的惯导系统来说，要估测出陀螺漂移并进行补偿是系统重调的主要工作之一。由于单轴旋转捷联惯导系统两个水平轴上的惯性器件偏差在一个转动周期内的均值为零，因此只考虑天向陀螺漂移对速度误差的影响。目前在常用的陀螺漂移的估计方法当中，基本上都是利用位置信息，或者位置信息和速度信息组合进行陀螺漂移的估计。专利申请号为201210014692.6，名称为“一种单轴旋转调制捷联式惯导系统海上校准方法”中，主要提到了舰船在航行过程中需要校准时利用GPS获取较精确的外部位置信息，将外部位置信息与惯导输出的位置数据的差值作为位置误差，并利用位置误差与天向陀螺漂移之间的关系，计算出导航系统误差源，即天向陀螺漂移的值，将得到的天向陀螺漂移对单轴旋转调制捷联式惯导系统误差源进行补偿，由此实现对单轴旋转调制捷联式惯导系统的一次校准。图1为此方案的基本原理框图。专利申请号为CN2013101565512名称为“一种惯性系下仅使用位置信息的捷联惯导系统陀螺漂移和航向误差校正方法”中是在惯性系下利用位置信息进行陀螺漂移的估计和航向校正，虽然此专利方法投影到了惯性系，解除了载体航行的限制，但仍是一种需要借助外部位置信息实现陀螺漂移估计的方法。

采用图1中的校准方法存在以下问题，如果是涉及到在水下工作的水下航行体这类的设备时，由于工作环境和某些条件限制，在需要系统校正时由于不能实时的上浮接收GPS信息，从而不能估计出系统陀螺漂移，这就是此方法的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供能够提高惯导系统精度的，一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法，包括以下几个步骤，

步骤一：水下航行器进入导航状态后，惯导系统计算并输出导航参数，导航参数包括速度、经纬度信息以及方向余弦矩阵b代表载体坐标系，n代表地理坐标系，其中惯导系统输出的地理坐标系下的航行器的东向速度为和北向速度为

步骤二：多普勒计程仪测得航行器对地的艏艉速度将载体坐标系下的艏艉速度投影到地理坐标系下，得到地理坐标系下的多普勒计程仪的东向速度和北向速度

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]=T_b^n\left(t\right)\left[\begin{array}{c}0\\ V_D^b\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]$

其中，为t时刻惯导系统输出的载体坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵；

步骤三：将惯导系统输出的地理坐标系下的东向速度和北向速度减去地理坐标系下的多普勒计程仪的东向速度和北向速度得到t时刻速度误差：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δV}}_x^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Ix}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ {\mathrm{\δV}}_y^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Iy}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\end{array}\right.$

根据速度误差得到天向陀螺漂移：

${\mathrm{\ϵ}}_z^s\left(t\right)=[{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_1+{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_2]/2$

其中，为t时刻IMU系下通过东向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值，为t时刻IMU系下通过北向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值，为t时刻惯导系统输出的纬度值，R为地球半径，ω_ie为地球自转角速率；

步骤四：根据天向陀螺漂移对惯导系统天向陀螺仪输出进行补偿。

有益效果：

本发明通过建立速度误差和天向陀螺漂移的关系，解决了由于水下航行体不能上浮接收位置信息进行陀螺漂移估计并补偿的缺陷，减少了对外部位置信息的依赖；结合图3可以看出，利用本方法估计并补偿陀螺漂移后，惯导系统的位置精度有了很好的改善，可以满足水下航行体的工作需求。在保持获取单点外部信息的优势下，解除了对载体航行限制的条件，提高了水下航行体长时间工作的精度，提高了使用灵活性。

附图说明

图1是现有技术的单轴旋转惯导系统一点校正的原理图。

图2是本发明单轴旋转惯导系统一点校正的原理图。

图3是采用本发明方法与常规方法两种情况下经纬度误差的结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的在于提供一种水下航行体利用多普勒计程仪提供的外部速度信息，估计出系统陀螺漂移，从而不需要上浮接收位置信息进行系统误差源补偿的方法。

本发明的目的是这样实现的：当水下航行体工作一段时间之后(通常是5小时以上)需要对惯导系统进行误差源补偿。系统进行误差补偿开始时通过多普勒计程仪获取外部测量速度信息，但是多普勒计程仪是安装在载体之上，因此测得的速度是载体对地的艏艉向速度，需要将此速度信息通过捷联姿态阵投影到所需要的地理东向、北向。

将投影到地理系的外部速度信息和惯导计算出的速度值相减，得到地理系下单轴旋转捷联惯导系统的速度误差。通过速度误差和天向陀螺漂移的关系计算出地理系下天向陀螺漂移。

最后，将计算得到的天向陀螺漂移对惯导系统天向轴陀螺仪输出进行补偿，进而提高系统精度。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

步骤一：结合图2，水下航行体开始工作之前，惯导系统需要进行一段时间的预热并进行初始对准，以保证系统的初始姿态矩阵精度，预热与初始对准的具体时间根据操作系统说明书确定。在进入导航状态之后，惯导系统会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、所在位置的经纬度信息及方向余弦矩阵(捷联姿态矩阵)(b代表载体坐标系，n代表地理坐标系)。

步骤二：水下航行体航行一段时间，记t时刻为校准时刻，假设载体匀速航行，此时多普勒计程仪测得的载体对地的艏艉速度为此速度相当于载体坐标系下y方向的速度，惯导输出的地理坐标系下载体的东向和北向速度为

步骤三：由于计算时需要保证坐标系的一致性，因此需要将步骤二中多普勒计程仪测得载体系下的艏艉向速度投影到地理系下，转换过程由下式表示

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]=T_b^n\left(t\right)\left[\begin{array}{c}0\\ V_D^b\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中为投影到地理系下的计程仪的东向和北向速度，为t时刻惯导系统给出的载体系到地理系的方向余弦矩阵。

步骤四：将步骤二中得到的惯导计算速度和步骤三中投影到地理系下的多普勒计程仪测量的速度相减可以得到t时刻速度误差为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δV}}_x^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Ix}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ {\mathrm{\δV}}_y^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Iy}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

再根据天向陀螺漂移和速度误差的关系可以计算出天向陀螺漂移

其中，为t时刻IMU(惯性测量单元)系(s系)下通过东向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值；

为t时刻IMU(惯性测量单元)系(s系)下通过北向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值；

为t时刻惯导系统输出的纬度值；

R为地球半径，R＝6378393.0(m)；

ω_ie为地球自转角速率，ω_ie＝7.292115×10^-5(rad/s)；

将(3)式中的两个天向陀螺漂移取平均值

${\mathrm{\ϵ}}_z^s\left(t\right)=[{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_1+{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_2]/2---\left(4\right)$

(4)式为最终得到的天向陀螺漂移。

步骤五：将步骤四中计算得到的天向陀螺漂移对惯导系统天向轴陀螺输出进行补偿即可得到修正后的陀螺输出。

结合图1和图2可以看出，本发明用多普勒计程仪代替了原有发明中的GPS作为外部辅助设备，从应用角度来说虽然GPS在导航精度方面更胜一筹，但是GPS接收机毕竟属于无线电接收机，易受干扰，并且对于需要长时间在水下工作的水下航行体来说不能实时上浮接收GPS信号，因此使用惯导/多普勒计程仪这样的组合更加实用。本发明保持了原发明中利用一点外部信息进行误差源估计和补偿的优势，同时更加适用于水下航行体的工作方式，提高导航精度。

Claims (1)

1.一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法，其特征在于：包括以下几个步骤，步骤一：水下航行器进入导航状态后，惯导系统计算并输出导航参数，导航参数包括速度、经纬度信息以及方向余弦矩阵b代表载体坐标系，n代表地理坐标系，其中惯导系统输出的地理坐标系下的航行器的东向速度为和北向速度为

步骤二：多普勒计程仪测得航行器对地的艏艉速度将载体坐标系下的艏艉速度投影到地理坐标系下，得到地理坐标系下的多普勒计程仪的东向速度和北向速度

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]=T_b^n\left(t\right)\left[\begin{array}{c}0\\ V_D^b\left(t\right)\\ 0\end{array}\right]$

其中，为t时刻惯导系统输出的载体坐标系到地理坐标系的方向余弦矩阵；

步骤三：将惯导系统输出的地理坐标系下的东向速度和北向速度减去地理坐标系下的多普勒计程仪的东向速度和北向速度得到t时刻速度误差：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{V}_x^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Ix}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dx}}^n\left(t\right)\\ \mathrm{\δ}{V}_y^n\left(t\right)=V_{\mathrm{Iy}}^n\left(t\right)-V_{\mathrm{Dy}}^n\left(t\right)\end{array}\right.$

根据速度误差得到天向陀螺漂移：

${\mathrm{\ϵ}}_z^s\left(t\right)=[{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_1+{\mathrm{\ϵ}}_z^s{\left(t\right)}_2]/2$

其中，为t时刻IMU系下通过东向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值，为t时刻IMU系下通过北向速度误差测量得到的天向陀螺漂移值，为t时刻惯导系统输出的纬度值，R为地球半径，ω_ie为地球自转角速率；

步骤四：根据天向陀螺漂移对惯导系统天向陀螺仪输出进行补偿。