CN109059905B - 一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法 - Google Patents

一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法，属于船舶领域。步骤如下：1、人工输入参数；2、捷联惯导系统动基座初始对准过程结束，进入导航工作状态，输出相应参数；3、由步骤1以及步骤2得到的信息
Figure DDA0001690138510000011
测量得到
Figure DDA0001690138510000012
4、通过差分计算得到外杆臂测量中间量；5、利用步骤2得到的捷联姿态矩阵实现捷联惯导系统对在载体坐标系下的tk时刻外杆臂估测
Figure DDA0001690138510000013
步骤6、由步骤5估测20次
Figure DDA0001690138510000014
值，k＝1、2、···20，求其均值得到外杆臂的最终测量值。相对于采用速度匹配估测外杆臂方法，本发明为动力学补偿方法，所需变量获取容易，可以有效地、实时地估测外杆臂，解决量测速度中姿态误差对外杆臂估测精度的影响。

Description

一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种船用估测外杆臂方法，特别是一种存在外杆臂效应的船用捷联惯导系统估测外杆臂方法，属于船舶领域。
背景技术
舰载捷联惯导系统的初始对准通常是在系统开机后舰船出航前进行的。自主式初始对准是捷联惯导系统最基本、最常用的对准方式，它的基本出发点是采用系统的惯性测量组件加速度计和陀螺仪的输出信号作为观测量，利用它们所敏感到的地球重力加速度和地球自转角速度在载体座标系中的投影量，解算出载体座标系相对于导航座标系的姿态转换矩阵，即导航计算机中的数学平台。
舰载捷联惯导系统的初始对准是当舰船处于系泊状态进行的，即要求载体无线方向运动，此时加速度计的输出中仅包含重力加速度的投影。当存在杆臂效应，加速度计的输出中将包含附加干扰加速度，它势必会严重影响捷联惯导系统的初始对准精度。随着人们对捷联惯导系统的精度要求不断提高，对杆臂效应理论及其补偿方法研究已成为捷联惯性技术领域中的主要研究课题之一。
关于对捷联惯性导航系统的杆臂效应补偿方法的相关文献较多，其中典型文献如徐晓苏、万德钧的《杆臂效应对捷联惯性导航系统初始对准精度的影响及其在线补偿方法研究》(中国惯性技术学报，1994)以舰载捷联惯性导航系统作为应用对象，分析了杆臂效应产生机理，以及对舰载捷联惯性导航系统初始对准误差的作用关系，最后提出一种基于数字滤波原理的杆臂效应在线补偿方法，这种方法忽略了加速度计测量误差的作用，采用数字低通滤波器，对加速度计中有用分量
Figure BDA0001690138490000012
会有一定延迟影响。刘锡祥，徐晓苏在《传递对准中杆臂长度误差的估计与可观测度分析》(机械工程学报，2009)提出将杆臂长度误差增列为系统状态矢量，将杆臂长度作为状态初始值，通过在线估计的方法获取杆臂长度的准确值。S.Hong等人的Acar test for the estimation ofGPS/INS alignment errors，(IEEE Trans on Intelligent TransportationSystems，2004)也同样采用速度匹配方法，但是以上两篇文献构造的速度量测中包含姿态误差，这会影响杆臂估计的精度和对准精度，并且其估计过程需要已知确定性杆臂长度，在工程中较难实施。
发明内容
本发明提供了一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法，包括下列步骤：
步骤1、人工输入当地纬度
Figure BDA0001690138490000011
地球自转角速率Ω＝7.292×10-5rad/s；
步骤2、捷联惯导系统动基座初始对准过程结束，进入导航工作状态，陀螺输出的角速度信息
Figure BDA0001690138490000021
加表输出的比力信息fb，实时输出舰船的纵摇α、横摇β和航向γ信息以及载体系到地理系的捷联姿态矩阵
Figure BDA0001690138490000022
通过上述量去测量纵摇角速率
Figure BDA0001690138490000023
横摇角速率
Figure BDA0001690138490000024
转弯角速率
Figure BDA0001690138490000025
Figure BDA0001690138490000026
进一步通过差分纵摇角速率
Figure BDA0001690138490000027
横摇角速率
Figure BDA0001690138490000028
转弯角速率
Figure BDA0001690138490000029
测量纵摇角加速率
Figure BDA00016901384900000210
横摇角加速率
Figure BDA00016901384900000211
转弯角加速率
Figure BDA00016901384900000212
步骤3、由步骤1以及步骤2得到的角速度信息
Figure BDA00016901384900000213
纵摇角速率
Figure BDA00016901384900000214
横摇角速率
Figure BDA00016901384900000215
转弯角速率
Figure BDA00016901384900000216
以及纵摇角加速率
Figure BDA00016901384900000217
横摇角加速率
Figure BDA00016901384900000218
转弯角加速率
Figure BDA00016901384900000219
测量得到
Figure BDA00016901384900000220
Figure BDA00016901384900000221
步骤4、
Figure BDA00016901384900000222
为
Figure BDA00016901384900000223
的反对称矩阵，
Figure BDA00016901384900000224
为
Figure BDA00016901384900000225
的反对称矩阵，通过差分计算
Figure BDA00016901384900000226
可得到
Figure BDA00016901384900000227
通过上述量去测量得到外杆臂测量中间量：
Figure BDA00016901384900000228
步骤5、利用步骤2得到的捷联姿态矩阵
Figure BDA00016901384900000229
实现捷联惯导系统对在载体坐标系下的tk时刻外杆臂估测
Figure BDA00016901384900000230
其中
Figure BDA00016901384900000231
为tk时刻的捷联姿态矩阵，
Figure BDA00016901384900000232
为tk+1时刻的捷联姿态矩阵，A(tk)为tk时刻的外杆臂测量中间量，A(tk+1)为tk+1时刻的外杆臂测量中间量，fb(tk)为tk时刻的加表输出的比力信息，fb(tk+1)为tk+1时刻的加表输出的比力信息：
Figure BDA00016901384900000233
步骤6、由步骤5估测20次
Figure BDA00016901384900000234
值，k＝1、2、···20。求其均值得到外杆臂的最终测量值：
Figure BDA00016901384900000235
与现有技术相比，本发明的优势在于：本发明提供的方法降低了测量过程中的姿态误差，提高了杆臂估计的精度和对准精度，在工程中实施较为容易。
附图说明
图1本发明的流程图。
图2船体纵摇示意图。
图3船体横摇示意图。
图4坐标关系示意图。
图5捷联惯导估测外杆臂原理图。
图6MATLAB仿真试验结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的方法作进一步的详细描述。
本发明提出的是一种考虑外杆臂效应的船用捷联惯导系统估测外杆臂方法，流程图如附图1，原理图如附图5所示，fb为载体坐标系下的加速度，
Figure BDA0001690138490000031
为陀螺输出的载体系下的角速度信息，
Figure BDA0001690138490000032
为
Figure BDA0001690138490000033
的反对称矩阵，对
Figure BDA0001690138490000034
微分得
Figure BDA0001690138490000035
为
Figure BDA0001690138490000036
的反对称矩阵。
船体系泊如附图2、图3，外杆臂在惯性系与载体系中的关系图如附图4，该方法主要步骤如下：
步骤1、人工输入当地纬度
Figure BDA0001690138490000037
地球自转角速率Ω＝7.292×10-5rad/s；
步骤2、捷联惯导系统动基座初始对准过程结束，进入导航工作状态，陀螺仪输出的角速度信息
Figure BDA0001690138490000038
加表输出的比力信息fb，实时输出舰船的纵摇α、横摇β和航向γ信息以及载体系到地理系的捷联姿态矩阵
Figure BDA0001690138490000039
角速度信息
Figure BDA00016901384900000310
和比力信息fb表达式如下：
Figure BDA00016901384900000311
通过姿态信息可以实时获得载体坐标系向地理坐标系转换的姿态矩阵
Figure BDA00016901384900000312
表达式如下：
Figure BDA00016901384900000313
纵摇角速率
Figure BDA00016901384900000314
横摇角速率
Figure BDA00016901384900000315
以及转弯角速率
Figure BDA00016901384900000316
可由下式求解：
Figure BDA00016901384900000317
其中
Figure BDA00016901384900000318
为当地纬度，Ω为地球自转角速率
Figure BDA00016901384900000319
纵摇角加速率
Figure BDA00016901384900000320
横摇角加速率
Figure BDA00016901384900000321
以及转弯角加速率
Figure BDA00016901384900000322
可由下式求解：
Figure BDA0001690138490000041
步骤3、由步骤1以及步骤2得到的角速度信息
Figure BDA0001690138490000042
纵摇角速率
Figure BDA0001690138490000043
横摇角速率
Figure BDA0001690138490000044
转弯角速率
Figure BDA0001690138490000045
以及纵摇角加速率
Figure BDA0001690138490000046
横摇角加速率
Figure BDA0001690138490000047
转弯角加速率
Figure BDA0001690138490000048
测量得到
Figure BDA0001690138490000049
其中
Figure BDA00016901384900000410
Figure BDA00016901384900000411
Figure BDA00016901384900000412
Figure BDA00016901384900000413
步骤4、
Figure BDA00016901384900000414
为
Figure BDA00016901384900000415
的反对称矩阵，
Figure BDA00016901384900000416
为
Figure BDA00016901384900000417
的反对称矩阵，通过差分计算
Figure BDA00016901384900000418
可得到
Figure BDA00016901384900000419
通过上述量去测量得到外杆臂测量中间量：
Figure BDA00016901384900000420
步骤5、利用步骤2得到的捷联姿态矩阵
Figure BDA00016901384900000421
实现捷联惯导系统对在载体坐标系下的tk时刻外杆臂估测
Figure BDA00016901384900000422
其中
Figure BDA00016901384900000423
为tk时刻的捷联姿态矩阵，
Figure BDA00016901384900000424
为tk+1时刻的捷联姿态矩阵，A(tk)为tk时刻的外杆臂测量中间量，A(tk+1)为tk+1时刻的外杆臂测量中间量，fb(tk)为tk时刻的加表输出的比力信息，fb(tk+1)为tk+1时刻的加表输出的比力信息：
Figure BDA00016901384900000425
步骤6、由步骤5估测20次
Figure BDA00016901384900000426
值，k＝1、2、···20。求其均值得到外杆臂的最终测量值：
Figure BDA00016901384900000427
下面通过Matlab仿真验证可行性，具体条件如下：
初始位置选取纬度
Figure BDA0001690138490000051
捷联惯导三轴陀螺常值漂移为0.01o/h；三轴加速度计零偏为10-4m/s2；重力加速度g＝9.78049；船舶纵摇幅度7°，横摇幅度4°，转弯幅度2°(纵摇、横摇和转弯均为正弦形式，周期分别为150s、130s、110s)；仿真时间为2h。
仿真试验结果：图6，对外杆臂进行了估测，在载体系的x轴外杆臂在50m范围波动，y轴外杆臂在10m范围波动，z轴外杆臂在20m范围波动，证明了此发明的可行性。

Claims (3)

1.一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、人工输入当地纬度
Figure FDA0003173315830000011
地球自转角速率Ω＝7.292×10-5rad/s；
步骤2、捷联惯导系统动基座初始对准过程结束，进入导航工作状态，陀螺输出的角速度信息
Figure FDA0003173315830000012
加表输出的比力信息fb，实时输出舰船的纵摇α、横摇β和航向γ信息以及载体系到地理系的捷联姿态矩阵
Figure FDA0003173315830000013
通过上述量去测量纵摇角速率
Figure FDA0003173315830000014
横摇角速率
Figure FDA0003173315830000015
转弯角速率
Figure FDA0003173315830000016
Figure FDA0003173315830000017
Figure FDA0003173315830000018
进一步通过差分纵摇角速率
Figure FDA0003173315830000019
横摇角速率
Figure FDA00031733158300000110
转弯角速率
Figure FDA00031733158300000111
测量纵摇角加速率
Figure FDA00031733158300000112
横摇角加速率
Figure FDA00031733158300000113
转弯角加速率
Figure FDA00031733158300000114
Figure FDA00031733158300000115
Figure FDA00031733158300000116
为当地纬度，Ω为地球自转角速率；
步骤3、由步骤1以及步骤2得到的角速度信息
Figure FDA00031733158300000117
纵摇角速率
Figure FDA00031733158300000118
横摇角速率
Figure FDA00031733158300000119
转弯角速率
Figure FDA00031733158300000120
以及纵摇角加速率
Figure FDA00031733158300000121
横摇角加速率
Figure FDA00031733158300000122
转弯角加速率
Figure FDA00031733158300000123
测量得到
Figure FDA00031733158300000124
Figure FDA00031733158300000125
步骤4、
Figure FDA00031733158300000126
为
Figure FDA00031733158300000127
的反对称矩阵，
Figure FDA00031733158300000128
为
Figure FDA00031733158300000129
的反对称矩阵，通过差分计算
Figure FDA00031733158300000130
可得到
Figure FDA00031733158300000131
通过上述量去测量得到外杆臂测量中间量：
Figure FDA00031733158300000132
步骤5、利用步骤2得到的捷联姿态矩阵
Figure FDA00031733158300000133
实现捷联惯导系统对在载体坐标系下的tk时刻外杆臂估测
Figure FDA00031733158300000134
其中
Figure FDA00031733158300000135
为tk时刻的捷联姿态矩阵，
Figure FDA00031733158300000136
为tk+1时刻的捷联姿态矩阵，A(tk)为tk时刻的外杆臂测量中间量，A(tk+1)为tk+1时刻的外杆臂测量中间量，fb(tk)为tk时刻的加表输出的比力信息，fb(tk+1)为tk+1时刻的加表输出的比力信息：
Figure FDA00031733158300000137
步骤6、由步骤5估测20次
Figure FDA00031733158300000138
值，k＝1、2、…20，求其均值得到外杆臂的最终测量值：
Figure FDA0003173315830000021
其中
Figure FDA0003173315830000022
为外杆臂的测量值。
2.根据权利要求1所述的一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法，其特征在于：所述的捷联姿态矩阵
Figure FDA0003173315830000023
表达式如下：
Figure FDA0003173315830000024
3.根据权利要求1所述的一种船用捷联惯导系统外杆臂测量方法，其特征在于：所述的纵摇角加速率
Figure FDA0003173315830000025
横摇角加速率
Figure FDA0003173315830000026
以及转弯角加速率
Figure FDA0003173315830000027
求解表达式如下：
Figure FDA0003173315830000028
Figure FDA0003173315830000029
Figure FDA00031733158300000210
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