CN105300404A - 一种舰船基准惯性导航系统标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性导航技术领域，涉及到一种舰船基准惯性导航系统标校方法。一种舰船基准惯性导航系统标校方法，首先将基准惯导安装在基准惯导舱室内；辅助惯导安装在有艏艉线刻度标记的甲板上；架设经纬仪，通过控制经纬仪的位置使其对辅助惯导上的方位基准镜、艏艉刻线进行标校；然后将辅助惯导、基准惯导和数据录取装置连接；再在辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间标校，进行数据采集和安装误差辨识，最终进行标校补偿，计算得到标校后的航姿值。本发明技术方案能够顺利的将基准惯导的导航系统输出到舰船参考坐标系上，而且无需舰船专门坐墩，无需价格较高的能够寻北的陀螺经纬仪设备，而只需简单的经纬仪装置，可以节约标校成本。

Description

一种舰船基准惯性导航系统标校方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，涉及到一种舰船基准惯性导航系统标校方法。

背景技术

舰船基准惯性导航系统(以下简称“基准惯导”)是舰船导航系统的重要设备，它不仅能够给舰船航行提供导航信息，而且能够为舰船多个子系统提供导航信息，如舰上雷达控制系统、导弹武器系统、火炮控制系统等。随着惯性技术的发展，舰船基准惯性导航系统有从平台式惯性导航系统向光学陀螺惯性导航系统发展的趋势，系统的体积和重量随之减小、可靠性提高、成本价格降低。目前国内舰船基准光学陀螺惯导包括激光陀螺旋转式惯导和激光陀螺捷联惯导，前者一般作为舰船主基准惯导使用，而后者一般作为局部基准惯导使用。无论采用哪种基准惯导，均需要将基准惯导的导航信息输出到舰船上某一固定参考坐标系中，一般选择舰船甲板坐标系作为输出参考坐标系，其他子系统统一利用该坐标系的导航信息进行相应的工作。

以往，基准惯导所处舱室有足够的空间安放陀螺经纬仪和水平仪，基准惯导的标校一般直接利用陀螺经纬仪和电子水平仪标校出基准惯导航向和水平面与舰上基准方位(一般为艏艉线方向)和基准水平面之间的角度。随着舰船空间的有效利用，舰船无法为舱室内的基准惯导预留足够的空间放置陀螺经纬仪和电子水平仪等标校设备，尤其是为子系统配置的局部基准惯导所处的舱室空间很有限。另外，对于现役舰船加装基准惯导的情况，不仅面临加装的基准惯导标校空间限制问题，而且舰船也可能无法提供传统标校时所需的进坞坐墩静止状态。

因此，为解决上述基准惯导标校难题，亟需研制一种舰船基准惯导标校方法，从而突破舰船基准惯导舱室标校空间和舰船坐墩条件限制，顺利的将基准惯导的导航系统输出到舰船参考坐标系上，满足子系统应用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种舰船基准惯导标校方法，在舰船基准惯导舱室标校空间和舰船坐墩条件限制下，将基准惯导的导航系统输出到舰船参考坐标系上。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种舰船基准惯性导航系统标校方法，包括配置设备和具体实施两个过程：

一、配置如下设备：

(a)一套与基准惯导同等精度的辅助惯导系统

该辅助惯导具有方位基准镜、基准平面，安装在甲板上；

通过经纬仪测量出辅助惯导方位基准镜法线和艏艉线的夹角；

(b)数据录取装置

数据录取装置负责同时录取基准惯导和辅助惯导的导航数据信息；

(c)经纬仪及水平仪

经纬仪及水平仪负责对辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间进行标校；

二、具体实施步骤：

(1)设备安装

基准惯导安装在基准惯导舱室内；

辅助惯导安装在有艏艉线刻度标记的甲板上；

架设经纬仪，通过控制经纬仪的位置使其对辅助惯导上的方位基准镜、艏艉刻线进行标校；

辅助惯导、基准惯导和数据录取装置连接；

(2)辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间标校

利用经纬仪标校出辅助惯导方位基准镜与舰船艏艉线间的夹角，利用水平仪标校出辅助惯导基准平面和舰船基准水平面间的水平夹角，构成辅助惯导到舰船艏艉线及基准平面间的姿态变换矩阵

a表示辅助惯导的基准方位镜与基准水平面构成的辅助惯导体坐标系，m表示舰上艏艉线和基准水平面构成的体坐标系；

(3)数据采集

舰船在运动状态下，将基准惯导、辅助惯导和数据录取装置开机，数据录取装置录取基准惯导和辅助惯导的原始信息；

(4)安装误差辨识

利用数据录取装置录取的基准惯导和辅助惯导的角速度信息进行“角速度匹配”闭环Kalman滤波，估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角；

具体算法如下；

选取系统状态量为X＝[φ_ax,φ_ay,φ_az,ε_x,ε_y,ε_z,Δt]^T，其中(φ_ax,φ_ay,φ_az)为辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角，(ε_x,ε_y,ε_z)为辅助惯导与基准惯导之间的陀螺漂移之差，Δt为时间延迟；

系统误差状态方程为：

$\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=F\left(t\right)X\left(t\right)+W\left(t\right)$

其中，系统矩阵F(t)为零矩阵，W(t)为系统噪声矢量；

观测方程为：

$Z_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isx}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isy}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isz}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m\end{array}\right]=H_{\mathrm{\ω}}X+v_{\mathrm{\ω}}$

其中，Z_ω为体系角速度误差观测量，v_ω为角速度观测噪声矢量，H_ω为角速度匹配观测系数阵：

$H_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{ccccccc}0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& 1& 0& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isx}}^s\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& 0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 1& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isy}}^s\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 0& 0& 1& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isz}}^s\end{array}\right]$

式中，表示基准惯导在x、y、z方向上的角速率， 表示辅助惯导在x、y、z方向上的角速率；

利用Kalman滤波估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角(φ_ax,φ_ay,φ_az)，计算出基准惯导到辅助惯导间的安装误差转换矩阵b表示基准惯导体坐标系；

(5)标校补偿

在完成和的标校后，将基准惯导输出的航姿信息转换到所要求的舰上艏艉线和基准水平面构成的舰体m坐标系上：

$C_n^m\left(t\right)=C_a^m{C}_b^a{C}_n^b\left(t\right)$

从提取航姿角，得到标校后的航姿值。

进一步的，如上所述的一种舰船基准惯性导航系统标校方法中，舰船的运动状态下指的是航姿变化幅度不小于0.2度时的状态。

进一步的，如上所述的一种舰船基准惯性导航系统标校方法中，实施步骤(3)数据采集中，数据录取时间不小于15分钟。

本发明的有益结果为：传统的技术方案中，当舰船基准惯导所处舱室标校空间狭小，无法安放陀螺经纬仪和电子水平仪时，将不能利用传统光学标校方法对基准惯导进行标校，而本发明提出的基准惯导标校方法将不受这些条件限制，而是采用另外一套辅助惯导来进行标校，使舰船基准惯导的标校不受舰船基准惯导舱室标校空间和舰船坐墩条件限制，能够顺利的将基准惯导的导航系统输出到舰船参考坐标系上，适用于舱室空间有限条件下加装基准惯导后的标校；另外本发明技术方案无需舰船专门坐墩，无需价格较高的能够寻北的陀螺经纬仪设备，而只需简单的经纬仪装置，节约了标校成本。

附图说明

图1是标校设备连接关系示意图。

图中：1-经纬仪，2-辅助惯导，3-基准惯导，4-数据录取装置，5-艏艉线标识点，6-甲板，7-基准惯导舱室。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。

本发明一种舰船基准惯性导航系统标校方法，包括配置设备和具体实施两个过程：

一、配置如下设备：

(a)一套与基准惯导同等精度的辅助惯导系统

该辅助惯导具有方位基准镜、基准平面，安装在甲板上；在此具体实施例中，该辅助惯导可以采用另一套基准惯导；

通过经纬仪测量出辅助惯导方位基准镜法线和艏艉线的夹角；经纬仪架设的位置要能够瞄准辅助惯导上的方位基准镜，并且可以瞄到艏艉刻线。

(b)数据录取装置

数据录取装置负责同时录取基准惯导和辅助惯导的导航数据信息；

(c)经纬仪及水平仪

经纬仪及水平仪负责对辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间进行标校；

二、具体实施步骤：

(1)设备安装

基准惯导安装在基准惯导舱室内；

辅助惯导安装在有艏艉线刻度标记的甲板上；

架设经纬仪，通过控制经纬仪的位置使其对辅助惯导上的方位基准镜、艏艉刻线进行标校；

辅助惯导、基准惯导和数据录取装置连接；

(2)辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间标校

利用经纬仪标校出辅助惯导方位基准镜与舰船艏艉线间的夹角，利用水平仪标校出辅助惯导基准平面和舰船基准水平面间的水平夹角，构成辅助惯导到舰船艏艉线及基准平面间的姿态变换矩阵

a表示辅助惯导的基准方位镜与基准水平面构成的辅助惯导体坐标系，m表示舰上艏艉线和基准水平面构成的体坐标系；

(3)数据采集

舰船在运动状态下，将基准惯导、辅助惯导和数据录取装置开机，数据录取装置录取基准惯导和辅助惯导的原始信息；

在此具体实施例中，舰船的运动状态下指的是航姿变化幅度不小于0.2度时的状态，数据录取时间不小于15分钟。

(4)安装误差辨识

利用数据录取装置录取的基准惯导和辅助惯导的角速度信息进行“角速度匹配”闭环Kalman滤波，估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角；

具体算法如下；

选取系统状态量为X＝[φ_ax,φ_ay,φ_az,ε_x,ε_y,ε_z,Δt]^T，其中(φ_ax,φ_ay,φ_az)为辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角，(ε_x,ε_y,ε_z)为辅助惯导与基准惯导之间的陀螺漂移之差，Δt为时间延迟；

系统误差状态方程为：

$\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=F\left(t\right)X\left(t\right)+W\left(t\right)$

其中，系统矩阵F(t)为零矩阵，W(t)为系统噪声矢量；

观测方程为：

$Z_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isx}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isy}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isz}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m\end{array}\right]=H_{\mathrm{\ω}}X+v_{\mathrm{\ω}}$

其中，Z_ω为体系角速度误差观测量，v_ω为角速度观测噪声矢量，H_ω为角速度匹配观测系数阵：

$H_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{ccccccc}0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& 1& 0& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isx}}^s\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& 0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 1& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isy}}^s\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 0& 0& 1& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isz}}^s\end{array}\right]$

式中，表示基准惯导在x、y、z方向上的角速率， 表示辅助惯导在x、y、z方向上的角速率；

利用Kalman滤波估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角(φ_ax,φ_ay,φ_az)，计算出基准惯导到辅助惯导间的安装误差转换矩阵b表示基准惯导体坐标系；

(5)标校补偿

在完成和的标校后，将基准惯导输出的航姿信息转换到所要求的舰上艏艉线和基准水平面构成的舰体m坐标系上：

$C_n^m\left(t\right)=C_a^m{C}_b^a{C}_n^b\left(t\right)$

从提取航姿角，得到标校后的航姿值。

为了说明该方法的效果，下面给出数学仿真结果；

仿真条件如下：

a)主子惯导间安装误差：φ_Ax＝-1°、φ_Ay＝-1°、φ_Az＝-1°

b)陀螺常值漂移：0.01°/h，随机漂移：0.01°/h；

c)角速度观测噪声均方差：0.01°/h；

d)主基准角速度延迟50ms；

e)滚动角摇摆模型：Roll＝Ax*sin(2πt/Tx)，其中Ax＝2.0度，Tx＝10s；

f)估计时间15min；

从估计结果可以看出，该条件下安装误差角、陀螺漂移和时间延迟均能够估计出来，其中三个安装误差估计精度均优于15角秒。

Claims (3)

1.一种舰船基准惯性导航系统标校方法，其特征在于：

一、配置如下设备：

(a)一套与基准惯导同等精度的辅助惯导系统

该辅助惯导具有方位基准镜、基准平面，安装在甲板上；

通过经纬仪测量出辅助惯导方位基准镜法线和艏艉线的夹角；

(b)数据录取装置

数据录取装置负责同时录取基准惯导和辅助惯导的导航数据信息；

(c)经纬仪及水平仪

经纬仪及水平仪负责对辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间进行标校；

二、具体实施步骤：

(1)设备安装

基准惯导安装在基准惯导舱室内；

辅助惯导安装在有艏艉线刻度标记的甲板上；

架设经纬仪，通过控制经纬仪的位置使其对辅助惯导上的方位基准镜、艏艉刻线进行标校；

辅助惯导、基准惯导和数据录取装置连接；

(2)辅助惯导与舰船艏艉线及基准平面间标校

利用经纬仪标校出辅助惯导方位基准镜与舰船艏艉线间的夹角，利用水平仪标校出辅助惯导基准平面和舰船基准水平面间的水平夹角，构成辅助惯导到舰船艏艉线及基准平面间的姿态变换矩阵

a表示辅助惯导的基准方位镜与基准水平面构成的辅助惯导体坐标系，m表示舰上艏艉线和基准水平面构成的体坐标系；

(3)数据采集

舰船在运动状态下，将基准惯导、辅助惯导和数据录取装置开机，数据录取装置录取基准惯导和辅助惯导的原始信息；

(4)安装误差辨识

利用数据录取装置录取的基准惯导和辅助惯导的角速度信息进行“角速度匹配”闭环Kalman滤波，估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角；

具体算法如下；

选取系统状态量为X＝[φ_ax,φ_ay,φ_az,ε_x,ε_y,ε_z,Δt]^T，其中(φ_ax,φ_ay,φ_az)为辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角，(ε_x,ε_y,ε_z)为辅助惯导与基准惯导之间的陀螺漂移之差，Δ_t为时间延迟；

系统误差状态方程为：

$\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=F\left(t\right)X\left(t\right)+W\left(t\right)$

其中，系统矩阵F(t)为零矩阵，W(t)为系统噪声矢量；

观测方程为：

$Z_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isx}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isy}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{isz}}^s-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m\end{array}\right]=H_{\mathrm{\ω}}X+v_{\mathrm{\ω}}$

其中，Z_ω为体系角速度误差观测量，v_ω为角速度观测噪声矢量，H_ω为角速度匹配观测系数阵：

$H_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{ccccccc}0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& 1& 0& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isx}}^s\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imz}}^m& 0& -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 1& 0& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isy}}^s\\ -{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imy}}^m& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{imx}}^m& 0& 0& 0& 1& {\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_{\mathrm{isz}}^s\end{array}\right]$

式中，表示基准惯导在x、y、z方向上的角速率， 表示辅助惯导在x、y、z方向上的角速率；

利用Kalman滤波估计出辅助惯导与基准惯导之间的安装误差角(φ_ax,φ_ay,φ_az)，计算出基准惯导到辅助惯导间的安装误差转换矩阵b表示基准惯导体坐标系；

(5)标校补偿

在完成和的标校后，将基准惯导输出的航姿信息转换到所要求的舰上艏艉线和基准水平面构成的舰体m坐标系上：

$C_n^m\left(t\right)=C_a^m{C}_b^a{C}_n^b\left(t\right)$

从提取航姿角，得到标校后的航姿值。

2.如权利要求1所述的一种舰船基准惯性导航系统标校方法，其特征在于：实施步骤(3)数据采集中，舰船的运动状态下指的是航姿变化幅度不小于0.2度时的状态。

3.如权利要求1所述的一种舰船基准惯性导航系统标校方法，其特征在于：实施步骤(3)数据采集中，数据录取时间不小于15分钟。