CN106895853B - 一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法 - Google Patents

一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，在北向对准回路输出东向失准角，在方位对准回路输出方位失准角。本发明利用电磁计程仪追踪舰船的机动速度，并且通过加速度测量补偿来消除地球自转角速度转换到导航坐标系的误差，即可实现舰船用捷联惯性导航系统行进间精对准问题，大大提高了载体机动能力，是行之有效的行进间初始对准方法。

Description

一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法
技术领域
本发明主要涉及陀螺导航，尤其是一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法。
背景技术
捷联惯性导航行进间初始对准是指载体在运动过程中完成惯性导航系统初始对准的技术，因此，它是动基座初始对准技术的一种。惯性导航行进间初始对准技术对于增强载体的机动能力和快速反应能力具有不可估量的意义和作用。
与传统的静基座初始对准环境不同，一方面在载体运动状态下，载体的位置、速度、加速度以及角速度都在不断地发生变化，因而对初始对准将产生影响；另一方面，线运动会使惯性导航基本方程中的对地加速度、哥式加速度等参量时刻变化，因此在运动状态下无法利用加速度计输出数据测得重力加速度的精确信息；运动条件下载体振动使得干扰角速度具有很宽的频带，陀螺仪输出信号信噪比较低，无法从陀螺仪输出数据中将地球自转角速度这一对准的有用信息提取出来。
因此，传统的罗经法对准不适合行进间对准，在载体运动条件下，不能单纯的依靠陀螺仪和加速度计的直接测量信息进行初始对准。并且，现有的加速度补偿方法采用电磁计程仪速度的微分。由于低采样频率，积分误差的存在，这种方法不适合于高精度的捷联惯性导航系统。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，引入测距、测速信息，以补偿运动过程中有害加速度对初始对准精度的影响。
技术方案：一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，包括如下步骤：北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，所述修正环节包括第一惯性环节和微分环节；
在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；
在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；
所述第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；
所述第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标中天向上的投影。
进一步的，所述北向加速度输入包括北向加速度与加速计偏置在导航坐标系中北向的投影。
进一步的，所述参考速度为电磁计程仪通过外测速得到的参考速度VrN：
VrN＝VN+δVrN
其中，VN为北向速度，δVrN为电磁计程仪的测量速度误差。
进一步的，第一惯性环节为1/(s+k1)，第二惯性环节为1/(s+k2)，第一比例环节为kN，第二比例环节kU；其中k1,k2,kN,kU均为罗经对准回路的系统参数，具体选择如下：
Figure BDA0001254079910000021
式中，ωn,ξ分别为振荡频率和阻尼系数，g为重力加速度，ωie为地球自转角速度，
Figure BDA0001254079910000024
为当地纬度。
进一步的，第一控制角速率、第二控制角速率分别为
Figure BDA0001254079910000025
其角速率控制方程为：
Figure BDA0001254079910000022
其中，fn为导航坐标系中加速度计的输出，
Figure BDA0001254079910000023
为其在导航坐标系中北向的投影，AN为北向加速度，VE,VN分别为东向和北向速度，R为地球半径。
进一步的，所述导航坐标系中加速度计的输出
Figure BDA0001254079910000031
其中，An为舰船在导航坐标系中的加速度，
Figure BDA0001254079910000032
分别为地球自转角速度和位置速率在n系的投影：
Figure BDA0001254079910000033
进一步的，所述罗经项为ωie
Figure BDA0001254079910000036
其中ωie为地球自转角速度，
Figure BDA0001254079910000035
为当地纬度。
有益效果：本发明首先在传统静基座罗经法对准的结构中加入速度和加速度，然后再进行加速度影响的误差分析，最后利用电磁计程仪输出的参考速度对行进间罗经法对准进行加速度补偿，最终实现高精度的姿态对准和位置导航。本发明不仅适合于静态或者系泊的舰船，还能够适用于航行中的舰船进行罗经法对准，在工程中的运用具有一定得参考价值；利用电磁计程仪追踪舰船的机动速度，并且通过加速度测量补偿来消除地球自转角速度转换到导航坐标系的误差，即可实现舰船用捷联惯性导航系统行进间精对准问题，大大提高了载体机动能力，是行之有效的行进间初始对准方法。
附图说明
图1为北向四阶罗经法对准回路的结构图；
图2为加速度为常值时的仿真结果图；
图3为加速度为周期性信号时的仿真结果图；
图4为本发明的系统结构图；
图5a、5b分别为情况A时传统方法方位失准角、水平失准角的结果图；
图6a、6b分别为情况A时本发明方位失准角、水平失准角的结果图；
图7a、7b分别为情况B时传统方法方位失准角、水平失准角的结果图；
图8a、8b分别为情况B时本发明方位失准角、水平失准角的结果图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。
(1)建立捷联惯性导航系统的行进间罗经法对准结构：
为了分析航海用捷联惯性导航系统行进间罗经法对准，在传统静基座下的罗经法对准结构图中加入了速度和加速度。北向四阶罗经法对准回路的结构图如图1所示。
图1中，g是重力加速度，ωie为地球自转角速度，εE，εU分别为陀螺漂移在导航坐标系中东向和天向上的投影，AN是北向加速度，当船静止时，其值等于0，ΔAN是加速计偏置在导航坐标系中北向的投影，
Figure BDA0001254079910000041
为当地纬度，α,γ分别为东向和方位失准角，k1,k2,kN,kU分别为罗经对准回路的系统参数，
Figure BDA00012540799100000412
为控制角速率，其用来调节捷联姿态矩阵
Figure BDA0001254079910000042
至适当值。
罗经法对准的关键是设计控制角速率，从图1可得角速率控制方程：
Figure BDA0001254079910000043
式中，fn为导航坐标系中加速度计的输出，
Figure BDA0001254079910000044
为其在导航坐标系中北向的投影。如果是静基座下罗经法对准，fn应该是重力加速度和加速度计偏置之和。但是当在航行中的舰船中使用罗经法对准时，加速度计的输出应该如下：
Figure BDA0001254079910000045
式中，An舰船在导航坐标系中的加速度，
Figure BDA0001254079910000046
分别为地球自转角速度在n系的投影和位置速率在n系的投影。
Figure BDA0001254079910000047
式中，VE,VN分别为东向和北向速度，R为地球半径。当罗经法对准在静基座下执行时，
Figure BDA0001254079910000048
是由初始位置决定的常值向量，An和
Figure BDA0001254079910000049
都为0。因此当计算控制角速率时他们的影响可以忽略。当舰船在海上航行时，
Figure BDA00012540799100000410
变成一个变量并且An和
Figure BDA00012540799100000411
不再等于0。当用加速计输出来计算控制角速率时，他们应该被补偿掉。
Figure BDA0001254079910000051
从上面的两个式子可知，对于计算控制角速率，加速度、速度和纬度是必要的。速度不是包含在罗经对准回路中的，因此来自辅助传感器的外速度是必要的。通常，电磁计程仪被作为辅助传感器来提供载体坐标系中y轴的速度。当捷联姿态矩阵是从粗对准获得的，我们可以将电磁计程仪的速度从载体坐标系转到导航坐标系中，从而很容易地获得导航坐标系中的速度。然后我们对导航坐标系中的速度进行积分从而实时更新当地纬度。
可以用电磁计程仪速度的加速度计输出来补偿
Figure BDA0001254079910000052
但是舰船的加速度An仍然存在于加速度计输出中并且有待补偿。
(2)加速度影响误差分析
从以上分析所知，为了把静基座下罗经对准扩展到动基座下罗经对准，应该考虑舰船的加速度。这部分我们将分析舰船加速度对罗经对准的影响。
根据图1，北向加速度与东向失准角，方位失准角之间的传递函数可以表示如下：
Figure BDA0001254079910000053
罗经对准回路的系统参数可以选择如下：
Figure BDA0001254079910000054
式中，ωn,ξ分别为振荡频率和阻尼系数。把系统参数代入北向加速度与东向失准角，方位失准角之间的传递函数可得
Figure BDA0001254079910000061
通过观察上式，我们发现北向加速度AN(s)对东向失准角的影响可以分成两部分。第一部分是一个二阶的临界阻尼系统
Figure BDA0001254079910000062
另外一个是一个二阶阻尼系统
Figure BDA0001254079910000063
根据二阶系统的时域相应特性，我们可以得到如下的结论。当北向加速度是阶跃信号时，α(s)不但有瞬态误差，还有稳态误差。随着加速度幅度的增大，α(s)同时增大。当北向加速度是周期信号时，α(s)将会振荡，幅度与加速度成正比。
为了详细观察不同种类的加速度的时域相应特性，对其进行了仿真实验。罗经对准回路参数选择如下：ξ＝0.707,ωn＝0.08。北向加速度设置成恒定的形式和周期的形式，AN(t)＝V0(V0分别为0.1m/s2,0.5m/s2,1.5m/s2)和AN(t)＝V0sin(ωt)(V0分别为0.1m/s2,0.5m/s2,1.5m/s2,ω＝π/4)。罗经对准对这些加速度的相应如图2和图3所示。
从图2和图3可以看出，当加速度为常值时，东向失准角存在瞬态误差和稳态误差，且误差与加速度的大小成正比。当加速度为1.5m/s2时，最大误差为11.45°，并且稳态误差为8.78°。当加速度是周期信号时，东向失准角按照与加速度相同的频率振荡。当加速度的幅值为1.5m/s2，最大误差大概为0.68°，并且相应的稳态误差幅值为0.13°。不管哪种形式的加速度，都对罗经对准系统有负面影响。两种形式的加速度对方位失准角的影响亦然。
基于上面的分析，我们发现舰船加速度对罗经法对准有很大的影响。为了实现动基座罗经法对准，必须考虑加速度的影响。
(3)罗经法对准的加速度补偿
目前加速度补偿方法采用电磁计程仪速度的微分。由于低采样频率，积分误差的存在，这种方法不适合于高精度的捷联惯性导航系统。
根据用电磁计程仪速度补偿的阻尼捷联惯性导航系统的原理，提出了一种对罗经对准的加速度补偿方法。将来自于电磁计程仪的参考速度引入到罗经对准回路中，同时考虑初始速度V0，经过加速度补偿的罗经对准的结构图如图4所示。
在图4中，北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，北向加速度输入包括北向加速度与加速计偏置在导航坐标系中北向的投影，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，修正环节包括第一惯性环节和微分环节；
在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；
在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；
第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；
第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标中天向上的投影。
第一惯性环节为1/(s+k1)，第二惯性环节为1/(s+k2)，第一比例环节为kN，第二比例环节kU；其中k1,k2,kN,kU均为罗经对准回路的系统参数，具体选择如下：
Figure BDA0001254079910000071
VrN是电磁计程仪通过外测速得到的参考速度，比较图1和图4可知罗经对准回路输入后的惯性环节1/(s+k1)被一积分环节代替。除此之外，修正环节s/(s+k1)被引入到回路中从而使新系统与原系统是等价的。加速度的积分加上初始速度V0以及参考速度VrN可以减小加速度对罗经对准的负面影响。
电磁计程仪测量不可避免地存在速度误差，δVrN为电磁计程仪的测量速度误差，来自于电磁计程仪的参考速度可以写成北向速度和速度误差之和：
VrN＝VN+δVrN
基于图4，东向失准角和舰船真实加速度，即北向加速度AN之间的传递函数如下
α(s)＝0·AN(s)
考虑到
Figure BDA0001254079910000081
和上式之间的关系，我们推导出东向失准角和δVrN的传递函数如下
Figure BDA0001254079910000082
同理，方位失准角γ(s)与AN，δVrN之间的传递函数如下
Figure BDA0001254079910000083
观察上面三式，我们发现α(s)和γ(s)都与北向加速度AN无关。也就是说，在这种罗经法对准中，加速度对失准角没有影响。东向失准角与北向失准角有相同的结果。尽管该方法中电磁计程仪的测量误差会对罗经法对准产生消极的影响，相比如传统方法中舰船加速度的影响其影响微乎其微。
陀螺和加速度计数据由捷联惯性导航系统仿真器产生的。为了清楚地观察加速度的影响，陀螺漂移和加速度计偏置都设置为0。罗经法对准回路参数设置如下：ξ＝0.707，ωn＝0.08。假设已经完成粗对准，并且失准角分别为0.1°,0.1°,0.5°。舰船的初始速度为1m/s，然后舰船分别按A、B两种情况在海上航行。
验证情况1：在t＝7min时，舰船以0.5m/s2的加速度行驶10s。两种方法的性能分别如图5a、5b、6a、6b所示。基于加速度影响的误差分析可知，当舰船加速时，水平和方位失准角会产生波动，尤其是方位角，其会在120°和-210°之间波动。但是在运用本发明提出的方法之后，水平失准角小于0.002°，方位失准角小于0.12°。
验证情况2：舰船一直以周期性的加速度0.5sin(πt/4)(m/s2)在海上行驶。图7a、7b、8a、8b给出了在周期性加速度作用下水平和方位失准角的结果。与此同时，本发明所提出的方法有效地减小了失准角。
无论哪种形式的加速度，通过进一步观察发现经过速度和加速度补偿之后，失准角依然存在残留误差。从理论上讲，由于舰船机动引起的加速度完全可以通过本发明提出的方法补偿掉。因为电磁计程仪测量的参考速度是沿着载体坐标系y轴方向上的，粗对准之后，通过姿态矩阵
Figure BDA0001254079910000091
其被转到导航坐标系中，尽管电磁计程仪输出是精确的，但是参考速度依然存在转换误差。
应理解以上实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域普通技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，包括如下步骤：北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，所述修正环节包括第一惯性环节和微分环节；
在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；
在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；
所述第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标系中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；
所述第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标系中天向上的投影；
其中第一惯性环节为1/(s+k1)，第二惯性环节为1/(s+k2)，第一比例环节为kN，第二比例环节kU；其中k1,k2,kN,kU均为罗经对准回路的系统参数，具体选择如下：
Figure FDA0002392387010000011
式中，ωn,ξ分别为振荡频率和阻尼系数，g为重力加速度，ωie为地球自转角速度，
Figure FDA0002392387010000012
为当地纬度。
2.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述北向加速度输入包括北向加速度与加速计偏置在导航坐标系中北向的投影。
3.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述参考速度为电磁计程仪通过外测速得到的参考速度VrN：
VrN＝VN+δVrN
其中，VN为北向速度，δVrN为电磁计程仪的测量速度误差。
4.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，第一控制角速率、第二控制角速率分别为
Figure FDA0002392387010000021
其角速率控制方程为：
Figure FDA0002392387010000022
其中，fn为导航坐标系中加速度计的输出，
Figure FDA0002392387010000023
为其在导航坐标系中北向的投影，AN为北向加速度，VE,VN分别为东向和北向速度，R为地球半径。
5.根据权利要求4所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述导航坐标系中加速度计的输出
Figure FDA0002392387010000024
其中，An为舰船在导航坐标系中的加速度，
Figure FDA0002392387010000025
分别为地球自转角速度在n系的投影和位置速率在n系的投影：
Figure FDA0002392387010000026
6.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述罗经项为
Figure FDA0002392387010000027
其中ωie为地球自转角速度，
Figure FDA0002392387010000028
为当地纬度。
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