CN110763188B - 一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法 - Google Patents

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CN110763188B CN201910976972.7A CN201910976972A CN110763188B CN 110763188 B CN110763188 B CN 110763188B CN 201910976972 A CN201910976972 A CN 201910976972A CN 110763188 B CN110763188 B CN 110763188B
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Abstract

本发明涉及一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，所述方法包括如下步骤：给定初始导航参数t＝0时刻：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；利用方向余弦矩阵
Figure DDA0002233957380000011
和加速度计的输出计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度；利用陀螺的输出和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到重力中心处的升沉加速度；升沉滤波器F(k)对重力中心处的升沉加速度
Figure DDA0002233957380000012
进行滤波处理。本发明实现了捷联惯导系统带杆臂补偿的的升沉测量，提高了船舶的可操作性。

Description

一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法
技术领域
本发明涉及升沉测量方法领域，尤其涉及一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法领域。
背景技术
舰船在作业过程中会受到海浪等海洋环境因素扰动，被动地产生六自由度摇荡运动，即沿着三个坐标轴的旋转运动(横摇、纵摇、艏摇)和平移运动(横荡、纵荡、升沉)，其中沿天向轴的升沉运动对舰船影响和危害最大。升沉运动的准确提取在舰船补给、气垫船登陆、货物(集装箱等)吊装搬运方面起着非常重要的作用，精确测量舰船升沉运动十分必要。传统测高方法(如气压测高法、无线电测高法等)的测量精度不高，受外部环境影响较大，对设备要求严格，不适用于海洋环境中的舰船升沉运动测量；而基于惯性导航系统的测量方法抗干扰性强，可在各种复杂环境下自主工作，并且短期精度高，稳定性好，是目前舰船升沉运动测量的主要手段。
但是在已发表的文章中，如在《Optik-International Journal for Light andElectron Optics》第125卷第14期的刘建业、曾庆化的一篇《A Kalman filter algorithmbased on exact modeling for FOG GPS/SINS integration》文章中利用惯导与卫星组合测量升沉，其虽能达到米级的舰船绝对定位精度，但海洋环境下卫星信号易受干扰，测量结果不能满足升沉应用中厘米级的短时相对测量精度要求。还有在《仪器仪表学报》第33卷第1期的孙伟、孙枫的一篇《基于惯导解算的舰船升沉测量技术》文章中分析了捷联惯导系统解算过程对舰船升沉测量的影响，总结了测量升沉运动的具体实施方案并提出利用数字高通滤波器完成对海浪等高频扰动的分离，但存在相位误差的问题。严恭敏、苏幸君、翁浚、秦永元在《导航定位学报》第4卷第2期的《基于惯导和无时延滤波器的舰船升沉测量》文章中采用了无时延滤波器来进行升沉测量，解决了相位误差的问题，但存在低频衰减较慢并且收敛时间较长的缺点。
以上已发表的文章都对升沉测量进行了叙述和探究，但是都没有考虑实际工程应用中捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点、观测点与舰船重力中心点之间的杆臂误差对升沉信息产生的影响。捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差将会产生干扰加速度，干扰加速度通过升沉滤波器将会产生一个瞬态脉冲响应，导致测量的升沉信息产生振荡。观测点与舰船重力中心点通常不在同一点，它们之间的杆臂误差与横纵摇相互作用也会产升升沉误差。因此研究一种带杆臂补偿的舰船升沉测量方法具有创新性和实际工程价值。
发明内容
本发明的目的在于针对舰船的升沉测量问题提供了一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，能够实现精确的升沉测量。
本发明是这样实现的：
一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，所述方法包括如下步骤：
(1)给定初始导航参数t＝0时刻：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为
Figure BDA0002233957360000021
其中
Figure BDA0002233957360000022
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，
Figure BDA0002233957360000023
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，
Figure BDA0002233957360000024
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为
Figure BDA0002233957360000025
其中
Figure BDA0002233957360000026
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，
Figure BDA0002233957360000027
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，
Figure BDA0002233957360000028
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；
(2)系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；升沉解算周期H，升沉解算周期循环标志k＝0,1,2…，即tk到tk+1时间段代表一个升沉解算周期H，升沉解算周期等于系统采样周期，即H＝h；
(3)递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；
(4)利用步骤3中的方向余弦矩阵
Figure BDA0002233957360000029
和加速度计的输出
Figure BDA00022339573600000210
计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure BDA00022339573600000211
(5)利用陀螺的输出
Figure BDA00022339573600000212
Figure BDA00022339573600000213
和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA00022339573600000214
得到重力中心处的升沉加速度
Figure BDA00022339573600000215
(6)升沉滤波器F(k)对重力中心处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000031
进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)；
(7)利用方向余弦矩阵
Figure BDA0002233957360000032
升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000033
得到补偿杆臂效应的观测点M处升沉信息pM(k)。
所述步骤(3)中，由时刻姿态信息纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k)和主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵
Figure BDA0002233957360000034
其中：
Figure BDA0002233957360000035
所述步骤(4)中，捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000036
其计算方法为：
Figure BDA0002233957360000037
其中
Figure BDA0002233957360000038
为加速度计x方向的输出，
Figure BDA0002233957360000039
为加速度计y方向的输出，
Figure BDA00022339573600000310
为加速度计z方向的输出。
所述步骤(5)中，重力中心处的升沉加速度
Figure BDA00022339573600000311
其计算方法为：
Figure BDA00022339573600000312
其中：
Figure BDA0002233957360000041
Figure BDA0002233957360000042
为陀螺在x方向上的位移输出量，
Figure BDA0002233957360000043
为陀螺在y方向上的位移输出量，
Figure BDA0002233957360000044
为陀螺在z方向上的位移输出量，
Figure BDA0002233957360000045
为陀螺在x方向上的速度输出量，
Figure BDA0002233957360000046
为陀螺在y方向上的速度输出量，
Figure BDA0002233957360000047
为陀螺在z方向上的速度输出量。
所述步骤(6)中，重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)的计算方法为：
Figure BDA0002233957360000048
其中：
Figure BDA0002233957360000049
其中exp()代表指数函数,ωc为升沉滤波器的截止频率，一般选择ωc大于海浪运动中的最长海浪周期的三分之一；h为捷联惯导系统的采样周期。
所述步骤(7)中，所述观测点M处升沉信息pM(k)其计算方法为：
Figure BDA00022339573600000410
其中，pCOG(k)为重力中心点COG处的升沉信息。
本发明的有益效果是：本发明实现了捷联惯导系统带杆臂补偿的的升沉测量，提高了船舶的可操作性。有利于舰载机的起降、舰载武器的发射、气垫船登陆、潜艇浅水行使、钻井平台升沉补偿装置设计、舰船补给等许多方面。
附图说明
图1为本发明的适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述。
一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，包括如下步骤：
步骤1.给定初始导航参数(t＝0时刻)：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000051
升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000052
步骤2、系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；升沉解算周期H，升沉解算周期循环标志k＝0,1,2…，即tk到tk+1时间段代表一个升沉解算周期H。升沉解算周期等于系统采样周期，即H＝h。
步骤3、递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵。利用时刻姿态信息：纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k),主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵
Figure BDA0002233957360000053
其中
C11(k)＝cosζ(k)(cosγ(k)·cosψ(k)+sinγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k))-sinζ(k)·sinψ(k)·cosθ(k)
C12(k)＝sinζ(k)(cosγ(k)·cosψ(k)+sinγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k))-cosζ(k)·sinψ(k)·cosθ(k)
C13(k)＝sinγ(k)·cosψ(k)-cosγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k)
C21(k)＝cosζ(k)(-cosγ(k)·sinψ(k)+sinγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k))-sinζ(k)·cosψ(k)·cosθ(k)
C22(k)＝-sinζ(k)(-cosγ(k)·sinψ(k)+sinγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k))+cosζ(k)·cosψ(k)·cosθ(k)
C23(k)＝-sinγ(k)·sinψ(k)-cosγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k)
C31(k)＝cosζ(k)(-sinγ(k)·cosθ(k))-sinζ(k)·sinθ(k)
C32(k)＝sinζ(k)(-sinγ(k)·cosθ(k))+cosζ(k)·sinθ(k)
C33(k)＝cosγ(k)·cosθ(k)
步骤4、利用步骤3中的方向余弦矩阵
Figure BDA0002233957360000054
和加速度计的输出
Figure BDA0002233957360000055
计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000056
Figure BDA0002233957360000057
步骤5、利用陀螺的输出
Figure BDA0002233957360000061
Figure BDA0002233957360000062
和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000063
得到重力中心处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000064
Figure BDA0002233957360000065
其中：
Figure BDA0002233957360000066
步骤6.升沉滤波器F(k)对重力中心处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000067
进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)：
Figure BDA0002233957360000068
其中
Figure BDA0002233957360000069
其中exp()代表指数函数，ωc为升沉滤波器的截止频率，一般选择ωc大于海浪运动中的最长海浪周期的三分之一；h为捷联惯导系统的采样周期；
步骤7.利用方向余弦矩阵
Figure BDA00022339573600000610
升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA00022339573600000611
得到补偿杆臂效应的观测点M处升沉信息。
Figure BDA00022339573600000612
至此就完成了补偿杆臂效应的舰船升沉更新。
综上所述，本发明提供的是捷联惯导系统的一种带杆臂补偿的舰船升沉测量方法。包括：给定初始导航参数(t＝0时刻)：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000071
升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000072
系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；利用时刻姿态信息：纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k),主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；利用上述得到的方向余弦矩阵
Figure BDA0002233957360000073
和加速度计的输出
Figure BDA0002233957360000074
计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000075
利用陀螺的输出
Figure BDA0002233957360000076
Figure BDA0002233957360000077
和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA0002233957360000078
得到重力中心处的升沉加速度
Figure BDA0002233957360000079
升沉滤波器F(k)对重力中心处的升沉加速度
Figure BDA00022339573600000710
进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)；利用方向余弦矩阵
Figure BDA00022339573600000711
和升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure BDA00022339573600000712
得到补偿杆臂效应的观测点M处升沉信息。至此就完成了补偿杆臂效应的舰船升沉更新。

Claims (5)

1.一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)给定初始导航参数t＝0时刻：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为
Figure FDA0003016677740000011
其中
Figure FDA0003016677740000012
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，
Figure FDA0003016677740000013
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，
Figure FDA0003016677740000014
为捷联惯导系统安装点INS与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为
Figure FDA0003016677740000015
其中
Figure FDA0003016677740000016
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，
Figure FDA0003016677740000017
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，
Figure FDA0003016677740000018
为升沉观测点M与舰船重力中心点COG之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；
(2)系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；升沉解算周期H，升沉解算周期循环标志k＝0,1,2…，即tk到tk+1时间段代表一个升沉解算周期H，升沉解算周期等于系统采样周期，即H＝h；
(3)递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；
(4)利用步骤3中的方向余弦矩阵
Figure FDA0003016677740000019
和加速度计的输出
Figure FDA00030166777400000110
计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure FDA00030166777400000111
(5)利用陀螺的输出
Figure FDA00030166777400000112
Figure FDA00030166777400000113
和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure FDA00030166777400000114
得到重力中心处的升沉加速度
Figure FDA00030166777400000115
(6)升沉滤波器F(k)对重力中心处的升沉加速度
Figure FDA00030166777400000116
进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)；
(7)利用方向余弦矩阵
Figure FDA0003016677740000021
升沉观测点M与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影
Figure FDA0003016677740000022
得到补偿杆臂效应的观测点M处升沉信息pM(k)；
所述步骤(3)中，由时刻姿态信息纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k)和主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵
Figure FDA0003016677740000023
其中：
Figure 1
。
2.根据权利要求1所述的一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，捷联惯导系统安装点处的升沉加速度
Figure FDA0003016677740000025
其计算方法为：
Figure FDA0003016677740000026
其中
Figure FDA0003016677740000027
为加速度计x方向的输出，
Figure FDA0003016677740000028
为加速度计y方向的输出，
Figure FDA0003016677740000029
为加速度计z方向的输出。
3.根据权利要求1所述的一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中，重力中心处的升沉加速度
Figure FDA00030166777400000210
其计算方法为：
Figure FDA00030166777400000211
其中：
Figure FDA0003016677740000031
Figure FDA0003016677740000032
Figure FDA0003016677740000033
Figure FDA0003016677740000034
Figure FDA0003016677740000035
Figure FDA0003016677740000036
Figure FDA0003016677740000037
为陀螺在x方向上的位移输出量，
Figure FDA0003016677740000038
为陀螺在y方向上的位移输出量，
Figure FDA0003016677740000039
为陀螺在z方向上的位移输出量，
Figure FDA00030166777400000310
为陀螺在x方向上的速度输出量，
Figure FDA00030166777400000311
为陀螺在y方向上的速度输出量，
Figure FDA00030166777400000312
为陀螺在z方向上的速度输出量。
4.根据权利要求1所述的一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，其特征在于：所述步骤(6)中，重力中心处的升沉位移信息pCOG(k)的计算方法为：
Figure FDA00030166777400000313
其中：
Figure FDA00030166777400000314
其中exp()代表指数函数,ωc为升沉滤波器的截止频率，一般选择ωc大于海浪运动中的最长海浪周期的三分之一；h为捷联惯导系统的采样周期。
5.根据权利要求1所述的一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中，所述观测点M处升沉信息pM(k)其计算方法为：
Figure FDA00030166777400000315
其中，pCOG(k)为重力中心点COG处的升沉信息。
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