CN109211266A - 一种船用格网惯性导航系统综合校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用格网惯性导航系统综合校正方法，属于惯性导航系统技术领域。首先在外部速度设备如多普勒计程仪的辅助下使系统工作在外水平阻尼工作状态。当外部不能提供位置及格网航向参考时系统工作在外水平阻尼工作状态；当外部有间断的位置及格网航向参考时，在第一次外部信息的辅助下完成系统重调，当第二次外部信息到来时，根据推导的方程、方程以及综合校正策略完成载体坐标系下陀螺常值漂移的准确估计，补偿陀螺常值漂移并完成第二次系统重调即完成综合校正过程。半物理仿真结果验证了所设计的两点校综合校正算法在实际应用中的可行性，可有效保证船舶在极区航行时的导航精度。

Description

一种船用格网惯性导航系统综合校正方法

技术领域

本发明属于惯性导航系统技术领域，具体涉及一种船用格网惯性导航系统综合校正方法。

背景技术

适用于极区的格网惯性导航力学编排同样存在导航误差随时间积累的问题。以舰船为例， 对于长时间航行的舰船来说，惯性器件引起的导航误差随着时间不断积累，约占系统误差的 90％左右，而陀螺漂移引起的导航误差又成为惯性器件引起的导航误差的主要部分。

为抑制格网惯导系统随时间积累的导航误差，在确保舰船充分保证隐蔽性与自主性的要 求下，综合校正技术可以作为一种理想的误差抑制方法。综合校正技术就是定期地对陀螺漂 移进行测定补偿，并对惯性导航系统的航向和位置进行重新调整。在实际使用中，这种重调 和校正是综合进行的，所以称为惯性导航系统的综合校正。

本发明在格网惯导力学编排的基础上，首先在外部参考速度的辅助下设计了适用于格网 惯导力学编排的外水平阻尼算法对系统84.4min舒勒振荡进行抑制。为抑制长航时情况下舰 船惯导系统导航误差发散严重的问题，针对外部有间断的位置及航向信息辅助的情况设计了 一种两点校综合校正算法，基于OEPQ坐标系分别推导了P方程和ψ方程，P方程建立起位 置误差、格网航向误差与平台漂移角ψ的关系，ψ方程建立起陀螺常值漂移与平台漂移角的 关系。该算法利用不定期的外部位置及航向信息对陀螺常值漂移进行估计，通过系统重调以 及器件误差补偿抑制格网惯导系统随时间积累的误差，在保证舰船航行自主性的基础上有效 地提高了舰船在极区航行时的导航精度。对所设计的综合校正方法进行仿真分析，结果表明 所设计的综合校正方法准确地估计出了陀螺常值漂移，完成系统重调以及陀螺漂移补偿后可 有效抑制格网惯导系统随时间积累的导航误差。

发明内容

本发明的目的在于提供有效保证长航时船用格网惯导系统在极区航行时的导航精度，抑 制格网惯导系统随时间积累的导航误差的一种船用格网惯性导航系统综合校正方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种船用格网惯性导航系统综合校正方法，包括以下步骤：

步骤一：多普勒计程仪提供准确的外部参考速度，系统工作在外水平阻尼状态；

步骤二：若无外部位置及航向参考，系统工作于外水平阻尼状态；若外部有间断的位置 和航向参考，执行两点校综合校正算法；

步骤三：第一次出现外部位置及航向参考，进行系统重调；

步骤四：第二次出现外部位置及航向参考，估算陀螺常值漂移，补偿陀螺漂移并进行系 统重调，完成综合校正。

具体地，

1.步骤一具体过程为：

当外部测速设备如多普勒计程仪可提供准确的外部参考速度时，借鉴常规指北方位惯导 力学编排外水平阻尼算法设计原理，可以设计出适用于格网惯导力学编排的外水平算法，格 网惯导系统外水平阻尼方块图如图2所示。

外部参考速度通过阻尼网络引入格网惯导系统水平回路，对格网惯导系统84.4min舒勒 振荡进行抑制。外水平阻尼算法中水平阻尼网络选为：

式中，s为拉普拉斯变量。

2.步骤四具体过程为：

步骤三与步骤四均包含系统重调过程，将在此一并说明。当外部可提供准确的位置及航 向信息时，系统重调包括位置重调以及格网航向重调。位置重调的具体方法为将外部提供的 位置信息如卫星导航系统提供的位置信息直接装订给外水平阻尼条件下格网惯导系统力学编 排的解算位置信息；格网航向重调的具体方法为将外部提供的格网航向信息如天文导航系统 提供的格网航向信息装订给外水平阻尼条件下格网惯导系统力学编排的解算航向信息，同时 根据提供的航向信息更新系统四元数信息。

为完成对陀螺常值漂移的准确估计，需要建立适用于格网惯导力学编排的P方程和ψ方 程，P方程建立起位置误差、格网航向误差与平台漂移角ψ的关系，ψ方程建立起陀螺常值 漂移与平台漂移角的关系。

设计算数学平台坐标系相对与计算机坐标系的夹角为ψ，船舶在极区的位置为(xy z)^T， 则经推导可以得到位置误差、格网航向误差与ψ角的关系即P方程为：

其中矩阵M为：

OEPQ坐标系下陀螺常值漂移与平台漂移角ψ之间的关系即ψ方程为：

由P方程和ψ方程结合两次观测时刻的位置信息以及格网航向信息即可得到船用格网捷 联惯导系统的陀螺仪常值漂移估计策略：

式中为格网坐标系到载体坐标系b的转换矩阵；为OEPQ坐标系到格网坐标系的转换 矩阵；Ω为地球自转角速度；t_n、t_n+1分别为两次获得外部参考信息的时刻；令a_n＝Ω(t_n+1-t_n)， 则：

在两次观测点上，分别测出惯导系统在t_n和t_n+1时刻的误差P(t_n)、P(t_n+1)，则载体系下的 陀螺常值漂移可以表示为：

在第一个观测点取得外部位置及航向角信息后，利用外部位置及航向角信息对格网惯导 系统进行重调，即将外部位置及航向信息分别赋值给惯导系统对应导航参数，重调后时， δx＝0，δy＝0，δz＝0，φ＝0，此时上式可简化为：

通过上式即可估计出陀螺常值漂移，利用第二个观测点取得的位置及航向角信息对系统 进行重调，同时补偿陀螺常值漂移，即完成两点校综合校正过程。

本发明的有益效果在于：

由于补偿了陀螺常值漂移，格网航向角、格网水平速度以及位置误差通过两点校综合校 正算法均可得到较好地抑制；格网水平姿态误差主要受加速度计零偏影响，因而校正算法抑 制效果有限。半物理仿真结果验证了所设计的两点校综合校正算法在实际应用中的可行性， 可有效保证船舶在极区航行时的导航精度。

附图说明

图1为整体设计方案流程图；

图2为格网惯导系统外水平阻尼方块图；

图3为仿真条件下格网姿态误差；

图4为仿真条件下格网水平速度误差；

图5为仿真条件下地心地固坐标系下位置误差；

图6为仿真条件下X轴陀螺常值漂移估计值；

图7为仿真条件下估计的陀螺常值漂移平均值及标准差表格；

图8为半物理仿真条件下格网姿态误差；

图9为半物理仿真条件下格网水平速度误差；

图10为半物理仿真条件下地心地固坐标系下位置误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

结合图1至图10，在本发明中，首先使格网惯导系统工作在水平阻尼状态，当第一次外 部位置及格网航向参考到来时，系统进行重调，当第二次外部位置及格网航向信息到来时， 通过综合校正算法估计载体坐标系下陀螺仪常值漂移，补偿陀螺常值漂移并完成系统重调即 完成综合校正。本发明的具体实施步骤如下：

步骤一：系统工作于外水平阻尼状态。

在外部速度设备如多普勒计程仪可用时，将外部参考速度通过水平阻尼网络引入格网惯 导系统水平回路使工作在外水平阻尼状态，阻尼系统84.4min舒勒振荡，以期减小姿态误差 角对后续综合校正的影响。如图3至图5以及图8至图10，格网姿态误差，格网水平速度误 差以及位置误差中的舒勒振荡均被有效抑制。水平阻尼网络如下式所示：

步骤二：若无外部位置及航向参考，系统工作于外水平阻尼状态；若外部有间断的位置 和航向参考，执行两点校综合校正算法；

步骤三：完成第一次系统重调。

当第一次外部参考位置及格网航向参考到来时，在格网惯导力学编排的基础上，完成第 一次系统重调。以外部位置及航向信息进行系统重调包含两个方面：(1)位置重调：将外部 参考位置信息直接装订给力学编排中解算得到的位置信息，使系统从新的位置信息开始进行 迭代；(2)航向重调：将外部参考格网航向信息直接装订给力学编排中的解算得到的格网航 向信息，同时更新格网姿态四元数，从新的姿态信息进行迭代。

步骤四：完成综合校正。

当第二次外部参考位置及格网航向参考到来时，首先根据外部参考信息和系统解算信息 计算P(t_n+1)，进而按步骤三所述的方式根据第二次得到的外部位置及格网航向信息进行第二 次系统重调。系统重调完成后，根据陀螺常值漂移估计策略完成陀螺常值估计，陀螺常值漂 移估计策略主要包含P方程和ψ方程，P方程建立起位置误差、格网航向误差与平台漂移角ψ 的关系，ψ方程建立起陀螺常值漂移与平台漂移角的关系。

设计算数学平台坐标系相对与计算机坐标系的夹角为ψ，船舶在极区的位置为(xy z)^T， 则经推导可以得到位置误差、格网航向误差与ψ角的关系即P方程为：

其中矩阵M为：

OEPQ坐标系下陀螺常值漂移与平台漂移角ψ之间的关系即ψ方程为：

由P方程和ψ方程结合两次观测时刻的位置信息以及格网航向信息即可得到船用格网捷 联惯导系统的陀螺仪常值漂移估计策略：

式中为格网坐标系到载体坐标系b的转换矩阵；为OEPQ坐标系到格网坐标系的转换 矩阵；Ω为地球自转角速度；t_n、t_n+1分别为两次获得外部参考信息的时刻；令a_n＝Ω(t_n+1-t_n)， 则：

在两次观测点上，测出惯导系统的误差P(t_n)、P(t_n+1)，则载体系下的陀螺常值漂移可以表示 为：

在第一个观测点取得外部位置及航向角信息后，利用外部位置及航向角信息对格网惯导 系统进行重调，即将外部位置及航向信息分别赋值给惯导系统对应导航参数，重调后时， δx＝0，δy＝0，δz＝0，φ＝0，此时上式可简化为：

当第二次系统重调完成后，首先根据外部位置信息结合式(3)计算M矩阵；根据外部位置 信息计算得到OEPQ坐标系到格网坐标系的转换矩阵

式中，σ为格网方位角，L为船舶所在纬度信息。格网方位角以及船舶所在纬度信息正余弦 值可按如下表示：

式中，R为地球半径。

根据重调后得到的同时结合已经计算得出的U(t_n+1，t_n)、M以及P(t_n+1)结合 式(9)即可计算得到载体坐标系下的陀螺常值漂移。将计算得到的陀螺常值补偿陀螺仪输出即 可有效提高陀螺仪输出精度。系统重调与陀螺常值漂移补偿后即完成综合校正过程。

仿真例：

为了验证本发明的性能，进行了仿真分析。在外水平阻尼条件下实现两点校综合校正算 法。采用数值解法给出陀螺和加速度计输出信息，仿真条件设置如下：仿真时长10h，采样 频率100Hz；t＝2h与t＝3.5h时刻引入外部位置和航向角信息，地心地固坐标系下外部位置 沿三个轴的误差均为5m，外部航向角误差为6”；陀螺常值漂移为0.01°/h，加速度计常值零 偏为10^-4g₀(g₀为重力加速度常量)，陀螺随机漂移以及加速度计随机零偏设置为白噪声；初始 位置：纬度(85°N)，经度(18°E)；初始姿态误差角：格网横摇角误差(6”)，格网纵摇角误差(6”)， 格网航向角误差(6')；船舶沿着纬度圈向东以10m/s的速度匀速运动；船舶摇摆以正弦规律变 化，如下式所示：

式中，摇摆幅值P_m＝3°,R_m＝5°,Y_m＝4°,摇摆周期T_p＝7s，T_r＝9s，T_y＝12s，摇摆初始相位设 置为随机值。仿真结果如图3-5所示。

由图3、图4和图5知，外水平阻尼状态下系统舒勒振荡误差得到了有效抑制，但系统 导航误差将仍随时间积累。对于格网航向角、格网水平速度以及位置而言，与仅利用外部位 置信息及航向角信息装订格网惯导系统进行重调相比，两点校综合校正算法由于准确地估计 并补偿了陀螺常值漂移，在第二次观测点后系统导航误差得到了有效抑制；对格网水平姿态 而言，由于格网水平姿态误差主要受加速度计零偏的影响，因而两点校综合校正算法对抑制 格网水平姿态误差能力有限。

对该仿真条件下的综合校正算法进行20次测试，得到X轴陀螺常值漂移估计情况如图6 所示，三轴陀螺常值漂移估计平均值及标准差如图7所示。由图7知，所设计的两点校综合 校正算法可以准确地估计出载体坐标系下三轴陀螺常值漂移，所估计的陀螺常值漂移可用于 陀螺测量误差的补偿。

由于地理条件的限制，通过半物理仿真的形式对所设计的算法在实际应用中的性能进行 仿真分析。为得到接近实际的极区惯性器件输出，可以通过极区惯性器件测量的理论真值叠 加中低纬度地区惯性器件测量误差来实现。极区惯性器件测量的理论真值在特定轨迹下由数 值解法得到；惯性器件测量误差由中低纬度地区得到，在三轴转台的辅助下，根据转台提供 的姿态参考及位置信息，通过数值解法同样可以得到惯性器件输出的理论真值，安装在转台 上的惯性器件测量值减去其理论真值即为惯性器件测量误差，将所得到的测量误差叠加在极 区惯性器件输出的理论真值上即可得到极区惯性器件输出。光纤陀螺捷联惯导系统安装在高 精度三轴转台上，安装误差已补偿。仿真条件除惯性器件测量误差通过数据采集系统得到外， 其他条件均与纯仿真条件相同。

由图8、图9和图10可知，半物理仿真结果与纯仿真结果一致。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种船用格网惯性导航系统综合校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：多普勒计程仪提供准确的外部参考速度，系统工作在外水平阻尼状态；

步骤二：若无外部位置及航向参考，系统工作于外水平阻尼状态；若外部有间断的位置和航向参考，执行两点校综合校正算法；

步骤三：第一次出现外部位置及航向参考，进行系统重调；

步骤四：第二次出现外部位置及航向参考，估算陀螺常值漂移，补偿陀螺漂移并进行系统重调，完成综合校正。

2.根据权利要求1所述的一种船用格网惯性导航系统综合校正方法，其特征在于，步骤一具体为：

外部参考速度通过阻尼网络引入格网惯导系统水平回路，对格网惯导系统84.4min舒勒振荡进行抑制，外水平阻尼算法中水平阻尼网络选为：

式中，s为拉普拉斯变量。

3.根据权利要求1所述的一种船用格网惯性导航系统综合校正方法，其特征在于，步骤四具体为：

设计算数学平台坐标系相对与计算机坐标系的夹角为ψ，船舶在极区的位置为(x y z)^T，则经推导可以得到位置误差、格网航向误差与ψ角的关系即P方程为：

其中矩阵M为：

OEPQ坐标系下陀螺常值漂移与平台漂移角ψ之间的关系即ψ方程为：

由P方程和ψ方程结合两次观测时刻的位置信息以及格网航向信息即可得到船用格网捷联惯导系统的陀螺仪常值漂移估计策略：

式中为格网坐标系到载体坐标系b的转换矩阵；为OEPQ坐标系到格网坐标系的转换矩阵；Ω为地球自转角速度；t_n、t_n+1分别为两次获得外部参考信息的时刻；令a_n＝Ω(t_n+1-t_n)，则：

在两次观测点上，测出惯导系统的误差P(t_n)、P(t_n+1)，则载体系下的陀螺常值漂移可以表示为：

在第一个观测点取得外部位置及航向角信息后，利用外部位置及航向角信息对格网惯导系统进行重调，即将外部位置及航向信息分别赋值给惯导系统对应导航参数，重调后时，δx＝0，δy＝0，δz＝0，φ＝0，此时上式可简化为：

当第二次系统重调完成后，首先根据外部位置信息计算M矩阵；根据外部位置信息计算得到OEPQ坐标系到格网坐标系的转换矩阵

式中，σ为格网方位角，L为船舶所在纬度信息，

格网方位角以及船舶所在纬度信息正余弦值可按如下表示：

式中，R为地球半径，

根据重调后得到的同时结合已经计算得出的U(t_n+1，t_n)、M以及P(t_n+1)即可计算得到载体坐标系下的陀螺常值漂移。