CN110196050B - 一种捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法 - Google Patents

一种捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法。充分预热惯性测量单元，连续采集加速度计和陀螺仪的输出；利用陀螺和加速度计的输出数据完成捷联惯导系统的初始对准，获得初始捷联姿态矩阵；计算比力在垂向通道的投影分量；捷联惯性导航系统进行惯性解算，获得东向速度、北向速度和纬度信息；启动深度计开始工作，提供垂向外部参考高度，在捷联惯性导航系统的垂向通道中加入阻尼网络，设置阻尼参数，测量阻尼后的垂向高度和垂向速度。本发明提供的垂向高度和垂向速度测量方法，可完成对捷联惯性导航系统垂向高度和垂向速度的高精度测量，能实现捷联惯性导航系统在垂向的精确导航定位，且能使系统保持较好的动态性，适合于工程应用。

Description

一种捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法
技术领域
本发明涉及的是一种捷联惯性导航系统水下导航定位方法。
背景技术
捷联惯性导航系统是不依赖于任何外部信息的自主式系统，具有隐蔽性好、抗干扰性能力强、可靠性高及可全天候工作等优点，可满足多方面的需求，因而成为一种核心导航系统。
垂向高度和垂向速度是水下航行器的重要导航参数，是确保水下航行器安全航行、完成大多数任务、安全返回等不可或缺的信息。由于捷联惯性导航系统的垂向通道是不稳定的，其垂向通道的速度和垂向高度会随时间呈指数形式发散，导致水下航行器无法进行垂向的精确导航定位，因此抑制捷联惯性导航系统垂向通道的发散，测量高精度的垂向高度和垂向速度尤为重要。
目前,抑制惯导垂向速度和垂向高度发散有组合和阻尼两种方式。组合方式是指采用合适的滤波方法对惯导系统的输出进行最优估计，而阻尼方式是基于经典控制理论，通过在导航系统内部引入阻尼网络,并通过设计合理的阻尼参数,便能达到抑制垂向速度和垂向高度发散的目的。
关于抑制捷联惯性导航系统的垂向通道发散的相关文献较多，其中典型文献如张景伟，任思聪，谭敏琦在《空军工程大学学报》的第4卷第6期的的一篇文章《INS/GNSS组合导航系统中高度阻尼问题的研究》中采用惯导与卫星导航系统的组合导航方式来抑制高度通道的发散，但GNSS全球卫星导航系统属于有源导航系统，水下航行器必须露出水面或接近水面才能接收到信息，满足不了水下航行器对导航自主性等的要求。再如程向红，王海鹏，王晓飞在《中国惯性技术学报》第21卷第1期的发表的《基于UT变换H∞滤波的舰船导航系统高度阻尼方法》文章中，阻尼回路采用全球定位系统GPS作为辅助提供外部参考高度信息，GPS以其高精度被广泛应用于微惯性测量单元MIMU的集成中，但GPS信号也缺乏自主性，容易受外界干扰，且GPS信号频率过低，无法计算高度。另外，这两篇文献中都没有对垂向通道中的垂向速度进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现对垂向高度和垂向速度的有效阻尼，能够提供高精度的垂向导航参数信息的捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤1、对光纤陀螺捷联惯性导航系统的惯性测量元件进行充分预热后，实时采集加速度计输出的比力fb和光纤陀螺仪输出的角速度
Figure BDA0002076411560000021
步骤2、利用步骤1得到的加速度计和光纤陀螺仪的输出信息启动捷联惯性导航系统罗经对准程序，完成捷联惯性导航系统的初始对准，得到载体系即b系到导航系即n系的初始捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000022
步骤3、将惯性测量元件中垂向加速度计的输出信号
Figure BDA0002076411560000023
通过捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000024
转换到导航系下的垂向比力信息fz n；
步骤4、捷联惯导系统实时输出捷联惯导系统的东向速度
Figure BDA0002076411560000025
北向速度
Figure BDA0002076411560000026
和纬度信息
Figure BDA0002076411560000027
步骤5、利用步骤3得到的导航系下的垂向比力信息fz n和步骤4获得的东向速度
Figure BDA0002076411560000028
北向速度
Figure BDA0002076411560000029
纬度信息
Figure BDA00020764115600000210
计算在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ；
步骤6、在捷联惯性导航系统的垂向通道中加入阻尼网络，获得阻尼后的垂向通道，同时启动深度计开始工作，提供垂向外部参考高度H，选取系统的无阻尼振荡角频率ωn，取系统的阻尼比ξ，阻尼网络中的阻尼参数k1、k2、k3的取值按ωn＝0.38rad/s、ξ＝0.707进行设置，设置值如下：
k1＝1.881
k2＝0.886
k3＝0.194
测量加入阻尼网络后的垂向高度h和垂向速度
Figure BDA00020764115600000211
本发明还可以包括：
1.所述的在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ为：
Figure BDA00020764115600000212
其中，fz n是导航系下的垂向比力信息，ωie是地球自转角速度，RN、RM分别是卯酉圈半径和子午圈半径，g0为地球表面的重力加速度。
2.所述的获得阻尼后的垂向通道具体包括：
系统的输入分别为垂向加速度AZ、深度计提供的垂向外部参考高度H、垂向速度初始值vz0以及垂向高度初始值h0，系统输出分别为引入阻尼网络后的垂向高度h、垂向速度
Figure BDA00020764115600000213
引入中间变量Δh，Δh为深度计提供的垂向外部参考高度H与需要测量的垂向高度h的差值即Δh＝H-h，该差值Δh通过阻尼参数k1反馈补偿至需要测量的垂向高度计算中，Δh通过阻尼参数k2反馈补偿至垂向有效加速度计算中，Δh通过阻尼参数k3并经过一个积分环节反馈补偿至垂向加速度计算中。
本发明提供了对垂向通道中垂向速度的测量方法，并采用深度计作为辅助，为垂向通道阻尼回路提供外部参考高度信息，因为深度计不依赖外部信号，也不对外发射信号，能满足水下航行器对自主性的要求。另外，本发明在阻尼回路中采用的阻尼参数，能使系统保持较好的动态性能，可完成对捷联惯性导航系统垂向速度和垂向高度的高精度测量，从而达到捷联惯性导航系统在垂向精确导航定位的目的，适合于实际工程应用。
附图说明
图1本发明的实现流程图。
图2捷联惯性导航系统垂向通道三阶阻尼回路原理图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
步骤1、首先对光纤陀螺惯性导航系统的惯性测量元件进行充分预热，实时采集加速度计输出的比力fb和陀螺输出的角速度
Figure BDA0002076411560000031
fb和
Figure BDA0002076411560000032
的具体表达式分别如下：
Figure BDA0002076411560000033
其中，
Figure BDA0002076411560000034
分别表示fb在东(x轴)、北(y轴)、天(z轴)向的分量，
Figure BDA0002076411560000035
Figure BDA0002076411560000036
分别是
Figure BDA0002076411560000037
在东、北、天向的分量。
步骤2、输入捷联惯性导航系统输出的纬度信息
Figure BDA0002076411560000038
利用加速度计和陀螺的输出信息可获得粗对准后的捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000039
Figure BDA00020764115600000310
的表达式如下：
Figure BDA00020764115600000311
其中，gn表示重力加速度在导航系(n系)下的投影，
Figure BDA00020764115600000312
表示地球自转角速度在n系下的投影，gb是加速度计测得的加速度在载体系(b系)下的投影，
Figure BDA0002076411560000041
是陀螺测得的角速度在b系下的投影，(·)t表示括号内矩阵的转置，[·]-1表示矩阵的逆，g为载体垂向高度为h处的重力加速度，ωie＝7.292×10-5rad/s。
粗对准结束，利用罗经对准原理完成捷联惯性导航系统的精对准，对准过程结束后得到捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000042
步骤3、将惯性测量单元中垂向加速度计的输出信号
Figure BDA0002076411560000043
通过捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000044
转换到导航坐标系下的垂向比力信息fz n；
初始对准结束得到的捷联姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000045
可表示成如下形式：
Figure BDA0002076411560000046
其中，Cij(i＝1，2，3；j＝1，2，3)表示姿态矩阵
Figure BDA0002076411560000047
中第i行第j列元素的值。
导航系下获得的垂向比力信息算法如下：
Figure BDA0002076411560000048
其中，其中，
Figure BDA0002076411560000049
分别表示fb在东、北、天方向的分量，fz n为导航系下的垂向比力信息。
步骤4、捷联惯导系统实时输出捷联惯导系统的东向速度
Figure BDA00020764115600000410
北向速度
Figure BDA00020764115600000411
和纬度信息
Figure BDA00020764115600000412
步骤5、利用步骤3得到导航系下的垂向比力信息fz n和步骤4获得的东向速度
Figure BDA00020764115600000413
北向速度
Figure BDA00020764115600000414
纬度信息
Figure BDA00020764115600000415
计算在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ；
在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ的计算为：
Figure BDA00020764115600000416
其中，fz n是导航系下的垂向比力信息，ωie是地球自转角速度，ωie＝7.292×10- 5rad/s，
Figure BDA00020764115600000417
Figure BDA00020764115600000418
和
Figure BDA00020764115600000419
分别是捷联惯导系统实时输出捷联惯导系统的东向速度、北向速度和纬度信息，RN、RM分别是卯酉圈半径和子午圈半径，
Figure BDA00020764115600000420
Figure BDA0002076411560000051
g0为地球表面的重力加速度，g0＝9.78049m/s2。
步骤6、在捷联惯性导航系统的垂向通道中加入阻尼网络，获得阻尼后的垂向通道，同时启动深度计开始工作，提供垂向外部参考高度H，选取系统的无阻尼振荡角频率ωn，取系统的阻尼比ξ，阻尼网络中的阻尼参数k1、k2、k3的取值按ωn＝0.38rad/s、ξ＝0.707进行设置，设置值如下：
k1＝1.881
k2＝0.886
k3＝0.194
测量加入阻尼网络后的垂向高度h和垂向速度
Figure BDA0002076411560000052
加入阻尼网络后的垂向通道如图2所示，系统的输入分别为垂向加速度AZ、深度计提供的垂向外部参考高度H、垂向速度初始值vz0以及垂向高度初始值h0，系统输出分别为引入阻尼网络后的垂向高度h、垂向速度
Figure BDA0002076411560000053
引入中间变量Δh，Δh深度计提供的垂向外部参考高度H与需要测量的垂向高度h的差值即Δh＝H-h，该差值Δh通过阻尼参数k1反馈补偿至需要测量的垂向高度计算中，Δh通过阻尼参数k2反馈补偿至垂向有效加速度计算中，Δh通过阻尼参数k3并经过一个积分环节反馈补偿至垂向加速度计算中。
在图2所示三阶阻尼回路中，采用k1环节相当于在系统中引入阻尼，使整个回路的输出保持衰减振荡特性；采用k2环节可以解决垂向通道的正反馈问题；在回路中再引入一个比例积分环节k3/s可以实现对垂向加速度计零偏误差的有效补偿。
至此，完成了对捷联惯性导航系统垂向通道的有效阻尼，可以是实现对垂向高度和垂向速度的精确测量。

Claims (2)

1.一种捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法，其特征是：
步骤1、对光纤陀螺捷联惯性导航系统的惯性测量元件进行充分预热后，实时采集加速度计输出的比力fb和光纤陀螺仪输出的角速度
Figure FDA0003821442180000011
步骤2、利用步骤1得到的加速度计和光纤陀螺仪的输出信息启动捷联惯性导航系统罗经对准程序，完成捷联惯性导航系统的初始对准，得到载体系即b系到导航系即n系的初始捷联姿态矩阵
Figure FDA0003821442180000012
步骤3、将惯性测量元件中垂向加速度计的输出信号
Figure FDA0003821442180000013
通过捷联姿态矩阵
Figure FDA0003821442180000014
转换到导航系下的垂向比力信息
Figure FDA0003821442180000015
步骤4、捷联惯导系统实时输出捷联惯导系统的东向速度
Figure FDA0003821442180000016
北向速度
Figure FDA0003821442180000017
和纬度信息
Figure FDA0003821442180000018
步骤5、利用步骤3得到的导航系下的垂向比力信息
Figure FDA0003821442180000019
和步骤4获得的东向速度
Figure FDA00038214421800000110
北向速度
Figure FDA00038214421800000111
纬度信息
Figure FDA00038214421800000112
计算在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ；
步骤6、在捷联惯性导航系统的垂向通道中加入阻尼网络，获得阻尼后的垂向通道，同时启动深度计开始工作，提供垂向外部参考高度H，选取系统的无阻尼振荡角频率ωn，取系统的阻尼比ξ，阻尼网络中的阻尼参数k1、k2、k3的取值按ωn＝0.38rad/s、ξ＝0.707进行设置，设置值如下：
k1＝1.881
k2＝0.886
k3＝0.194
测量加入阻尼网络后的垂向高度h和垂向速度
Figure FDA00038214421800000113
系统的输入分别为垂向加速度AZ、深度计提供的垂向外部参考高度H、垂向速度初始值vz0以及垂向高度初始值h0，系统输出分别为引入阻尼网络后的垂向高度h、垂向速度
Figure FDA00038214421800000114
引入中间变量Δh，Δh为深度计提供的垂向外部参考高度H与需要测量的垂向高度h的差值即Δh＝H-h，该差值Δh通过阻尼参数k1反馈补偿至需要测量的垂向高度计算中，Δh通过阻尼参数k2反馈补偿至垂向有效加速度计算中，Δh通过阻尼参数k3并经过一个积分环节反馈补偿至垂向加速度计算中。
2.根据权利要求1所述的捷联惯导系统垂向高度和速度测量方法，其特征是所述的在捷联惯性导航系统垂向通道中输入的垂向加速度AZ为：
Figure FDA0003821442180000021
其中，
Figure FDA0003821442180000022
是导航系下的垂向比力信息，ωie是地球自转角速度，RN、RM分别是卯酉圈半径和子午圈半径，g0为地球表面的重力加速度。
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捷联惯导系统误差抑制及补偿方法研究;李久顺;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》;20190115(第01期);I136-339 *
捷联惯导系统高度阻尼与罗经对准技术研究;张强;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》;20190115(第01期);I136-1871 *
捷联惯性导航系统误差阻尼技术;臧新乐;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》;20180615(第06期);I136-1029 *

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