CN111693069B - 一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法及系统 - Google Patents

一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法及系统，属于惯导系统技术领域，其特征在于：加速度计零位检查不再局限于静基座状态，可以在码头进行，上述惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法包括如下步骤：步骤一、至少预备两套惯导系统并进行参数定义，将其中至少一套惯导系统做为基准惯导系统；步骤二、分别进行东北天－北西天定向测量或东北天－西南天定向测量。通过采用上述技术方案，本发明实现了在动态环境下，惯导系统用码头动态加速度计零位检查，并且通过试验测试，取得了理想的技术效果。

Description

一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法及系统
技术领域
本发明属于惯导系统技术领域，具体涉及一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法及系统。
背景技术
惯导系统作为舰艇最重要的基础保障装备，其使命任务是为本舰艇及编队航行提供导航信息保障，为作战系统提供舰艇运动状态信息支撑。加速度计是惯导系统的核心元件，加速度计零位作为加速度计的最重要参数之一，其准确性直接关系惯导系统精度。加速度计零位在长时间使用过程中会发生变化，因此要求定期对加速度计零位进行检查。故障修理时更换加速度计后，也需要进行加速度计零位检查。
传统的加速度计零位检查方法需要在静基座条件进行，因此，此项工作一般结合计划修理舰艇进坞时进行。检查方法一般有两种：手动加速度计零位检查方法，自标定程序加速度计零位检查方法。
1.1手动加速度计零位检查方法：
采用四位置方法检查水平加速度计的零位，将平台横、纵摇框架锁定，确保水平角变化不大于0.1角分。手动转动平台台体分别停在0°、90°、180°、270°四个位置上，记录四个位置东向、北向加速度计100s累计脉冲数的均值。
计算东向加速度计零位值：AE＝(SAE0°+SAE90°+SAE180°+SAE270°)/400。
计算北向加速度计零位值：AN＝(SAN0°+SAN90°+SAN180°+SAN270°)/400。
1.2自标定程序加速度计零位检查方法：
正常启动惯导系统，装订加速度计零位检查指令:110 88,，惯导系统按照设定程序进行参数标定，约4.5h自标定程序结束，得到两个加速度计零位差值EAE0、EAN0。
计算东向加速度计零位值：AE＝AE0+EAE0，(AE0：惯导装订东向加速度计零位)。
计算北向加速度计零位值：AN＝AN0+EAN0，(AN0：惯导装订北向加速度计零位)。
传统的加速度计零位检查方法需要在静基座条件下进行，舰艇一般并不容易获得静基座条件，在实际的操作中面临诸多限制。当惯导系统加速度计零位出现明显变化，或则加速度计出现故障更换加速度计后，需要对加速度计零位进行检查。但往往舰艇不进坞得不到静基座条件，传统加速度计零位检查方法无法进行。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法，用于解决在动态环境下的惯导系统用加速度计零位检查。
本发明的第一目的是提供一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法，包括如下步骤：
S1、至少预备两套惯导系统并进行参数定义，将其中至少一套惯导系统做为基准惯导系统；所述参数定义具体为：
α为台体坐标系绕OXp正向转角为正(北高)；β为台体坐标系绕OYp正向转角为正(西高)；R为横摇角绕艏向转动为负；P为纵摇角绕右(舷)向转动为负；
当台体水平时，测量R、P值：
R＝R0-αsinH-βcosH；
P＝P0-αcosH+βsinH；
其中：R为横摇角测量值；P为纵摇角测量值；H为平台台体东北天定向时航向值；R0为横摇角真值；P0为纵摇角真值；α为北向加速度计偏角(度)；β为东向加速度计偏角(度)；
S2、东北天－北西天定向测量和东北天－西南天定向测量；其中：
所述东北天－北西天定向测量具体步骤为：
被测惯导系统在东北天定向时，相对基准惯导系统的横摇角误差、纵摇角误差如下：
△RE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (1)
△PE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (2)
其中：△RE为被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇角误差，△PE为被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的纵摇角误差；
被测惯导系统在北西天定向时，相对基准惯导系统的横摇角误差、纵摇角误差如下：
△RN＝RIN-RIIE＝R0-αcosH+βsinH (3)
△PN＝PIN-PIIE＝P0+αsinH+βcosH (4)
其中：△RN为被测惯导系统在北西天定向时相对基准惯导系统的横摇角误差；△PN为被测惯导系统在北西天定向时相对基准惯导系统的纵摇角误差；
(1)式减(3)式得：
δR＝α(cosH-sinH)-β(cosH+sinH) (5)
(2)式减(4)式得：
δP＝-α(cosH+sinH)+β(sinH-cosH) (6)
整理(5)式、(6)式得：
δR(cosH-sinH)＝α(1-2cosHsinH)-β(cos2 H-sin2 H) (7)
δR(cosH+sinH)＝α(cos2 H-sin2 H)-β(1+2cosHsinH) (8)
δP(cosH+sinH)＝-α(1+2cosHsinH)+β(sin2 H-cos2 H) (9)
δP(sinH-cosH)＝-α(sin2 H-cos2 H)-β(1-2cosHsinH) (10)
(7)式减(9)式整理后得：
Figure BDA0002551709690000031
(8)式减(10)式整理后得：
Figure BDA0002551709690000032
采用(13)式、(14)式求取δR、δP：将δR、δP计算结果代入(11)式、(12)式进行计算；
δR＝(RIE-RⅡE)-(RIN-RⅡE) (13)
δP＝(PIE-PⅡE)-(PIN-PⅡE) (14)
其中：RIE为被测惯导系统东北天定向时横摇角；RIN为被测惯导系统北西天定向时横摇角；PIE为被测惯导系统东北天定向时纵摇角；PIN为被测惯导系统北西天定向时纵摇角；RⅡE为基准惯导系统东北天定向时横摇角；PⅡE为基准惯导系统东北天定向时纵摇角；
根据(11)式、(12)式计算结果，获得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure BDA0002551709690000033
Figure BDA0002551709690000041
其中：AE为东向加速度计零位；AN为北向加速度计零位；AE0为装订东向加速度计零位；AN0为装订北向加速度计零位；JE为东向加速度计标度；JN为北向加速度计标度；
所述东北天－西南天定向测量具体步骤为：
被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (17)
△PE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (18)
被测惯导系统在西南天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RW＝RIW-RIIE＝R0+αsinH+βcosH (19)
△PW＝PIW-PIIE＝P0+αcosH-βsinH (20)
定义：RIW为被测惯导系统西南天定向时横摇角；PIW为被测惯导系统西南天定向时纵摇角。
(17)式减(19)式得：
δR＝－2(αsinH+βcosH) (21)
(18)式减(20)式得：
δP＝－2(αcosH－βsinH) (22)
由(21)式得：
Figure BDA0002551709690000042
Figure BDA0002551709690000043
由(22)式得：
Figure BDA0002551709690000044
Figure BDA0002551709690000051
(23)式加(25)式，(24)式减(26)式得：
Figure BDA0002551709690000052
Figure BDA0002551709690000053
通过(29)式、(30)式获得δR、δP：将δR、δP计算结果，并代入(27)式、(28)式进行计算；
δR＝(RIE-RⅡE)-(RIW-RⅡE) (29)
δP＝(PIE-PⅡE)-(PIW-PⅡE) (30)
根据(27)式、(28)式计算结果，获得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure BDA0002551709690000054
Figure BDA0002551709690000055
本发明的第二目的是提供一种实现上述惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法的系统。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案，本发明实现了动态测试环境下的惯导系统用码头加速度计零位检查，进而使得惯导系统维修保障或者更换不再需要静基座，降低了对检测环境的需求，适用范围更广，提高了惯导系统维修保障的灵活性、实用性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的台体矢量坐标示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请查阅图1、一种实现上述惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法，惯导系统加速度计零位出现明显变化，或则加速度计出现故障更换加速度计后，需要对加速度计零位进行检查。但往往舰艇不进坞得不到静基座条件，传统加速度计零位检查方法无法进行。亟待寻找到一种码头动基座条件下的加速度计零位检查新方法，针对舰艇一般安装两套惯导系统互为备份，创新性的提出了动基座条件下以一套惯导系统为基准检查另外一套惯导系统加速度计零位的新方法。
在静基座，如果平台台体坐标系OXpYpZp平行于当地地理坐标系OENZ，则OZp垂直于当地水平面，台体轴转动时，横摇、纵摇输出的角度值是不会变化的。
在码头动基座，惯导系统工作时平台台体垂直于当地水平面，平台台体在东北天和北西天(西南天)两个位置，二套惯性平台的横摇、纵摇角差值是一致的。可以根据横摇、纵摇角差值计算检查的加速度计零位差值。
矢量定义：α——台体坐标系绕OXp正向转角为正(北高)；β——台体坐标系绕OYp正向转角为正(西高)；R——横摇角绕艏向转动为负；P——纵摇角绕右(舷)向转动为负。
当台体水平时，测量R、P值：
R＝R0-αsinH-βcosH
P＝P0-αcosH+βsinH
定义：R——横摇角测量值；P——纵摇角测量值；H——平台台体东北天定向时航向值；R0——横摇角真值；P0——纵摇角真值；α——北向加速度计偏角(度)；β——东向加速度计偏角(度)。
1.3东北天－北西天定向测量
舰艇装备两套惯导系统，其中一套惯导系统加速度计零位明显变化或更换加速度计后需要进行加速度计零位检查，可以以另外一套惯导系统作为基准，被测惯导系统(定义为惯I)在东北天、北西天定位，测量被测惯导系统在东北天、北西天定向时相对基准惯导系统(定义为惯Ⅱ，东北天定向)水平姿态角误差，并以此来计算被测惯导系统加速度计零位误差。
被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (1)
△PE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (2)
被测惯导系统在北西天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RN＝RIN-RIIE＝R0-αcosH+βsinH (3)
△PN＝PIN-PIIE＝P0+αsinH+βcosH (4)
(1)式减(3)式得：
δR＝α(cosH-sinH)-β(cosH+sinH) (5)
(2)式减(4)式得：
δP＝-α(cosH+sinH)+β(sinH-cosH) (6)
整理(5)式、(6)式得：
δR(cosH-sinH)＝α(1-2cosHsinH)-β(cos2 H-sin2 H) (7)
δR(cosH+sinH)＝α(cos2 H-sin2 H)-β(1+2cosHsinH) (8)
δP(cosH+sinH)＝-α(1+2cos Hsin H)+β(sin2 H-cos2 H) (9)
δP(sinH-cosH)＝-α(sin2 H-cos2 H)-β(1-2cosHsinH) (10)
(7)式减(9)式整理后得：
Figure BDA0002551709690000071
(8)式-(10)式整理后得：
Figure BDA0002551709690000072
在实际计算时，采用(13)式、(14)式求取δR、δP：将δR、δP计算结果代入(11)式、(12)式进行计算即可。
δR＝(RIE-RⅡE)-(RIN-RⅡE) (13)
δP＝(PIE-PⅡE)-(PIN-PⅡE) (14)
定义：RIE——被测惯导系统东北天定向时横摇角；RIN——被测惯导系统北西天定向时横摇角；PIE——被测惯导系统东北天定向时纵摇角；PIN——被测惯导系统北西天定向时纵摇角；RⅡE——基准惯导系统东北天定向时横摇角；PⅡE——基准惯导系统东北天定向时纵摇角。
根据(11)式、(12)式计算结果，可得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure BDA0002551709690000081
Figure BDA0002551709690000082
定义：AE——东向加速度计零位；AN——北向加速度计零位；AE0——装订东向加速度计零位；AN0——装订北向加速度计零位；JE——东向加速度计标度；JN——北向加速度计标度；
1.4东北天－西南天定向测量
测量被测惯导系统在东北天、西南天定向时相对基准惯导系统(东北天定向)水平姿态角误差，并以此来计算被测惯导系统加速度计零位误差。
被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (17)
△PE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (18)
被测惯导系统在西南天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
△RW＝RIW-RIIE＝R0+αsinH+βcosH (19)
△PW＝PIW-PIIE＝P0+αcosH-βsinH (20)
定义：RIW——被测惯导系统西南天定向时横摇角；PIW——被测惯导系统西南天定向时纵摇角。
(17)式减(19)式得：
δR＝－2(αsinH+βcosH) (21)
(18)式-(20)式得：
δP＝－2(αcosH－βsinH) (22)
由(21)式得：
Figure BDA0002551709690000091
Figure BDA0002551709690000092
由(22)式得：
Figure BDA0002551709690000093
Figure BDA0002551709690000094
(23)式+(25)式，(24)式-(26)式得：
Figure BDA0002551709690000095
Figure BDA0002551709690000096
在实际计算时，采用(29)式、(30)式求取δR、δP：将δR、δP计算结果代入(27)式、(28)式进行计算即可。
δR＝(RIE-RⅡE)-(RIW-RⅡE) (29)
δP＝(PIE-PⅡE)-(PIW-PⅡE) (30)
根据(27)式、(28)式计算结果，可得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure BDA0002551709690000097
Figure BDA0002551709690000098
2实施方案
2.1方案实施前提
本加速度计零位码头动态检查方案的前提是：
a)舰艇有两套或两套以上惯导系统的配置；
b)基准惯导系统的水平姿态精度满足要求。
2.2实施过程
以东北天、北西天定位为例来说明实施过程，具体过程如下：
a)被测惯导系统与基准惯导系统进行三位置正常校；
b)被测惯导系统与基准惯导系统三位置正常校结束，转水平阻尼“20”工作状态。开始同步录取被测惯导系统与基准惯导系统的横摇角、纵摇角、航向角信息。录数采用编制的串口同步录取软件，串口录数频率为40Hz，录数时间大于20min。
c)对过程b)录取的两套惯导系统的横摇角、纵摇角采取曲线拟合的方法，求取被测惯导系统东北天定向时相对基准惯导系统的横摇角差值、纵摇角差值(RIE-RⅡE、PIE-PⅡE)。曲线拟合可以剔除异常数据，很大程度上减小姿态角数据噪声的影响。经过大量录数数据分析，在码头风浪较小的情况下，姿态角计算差值误差在1-2秒以内。
d)基准惯导系统一直处于水平阻尼状态进行码头自动GPS校，被测惯导系统进行三位置正常校，状态码显示“DC”、“DB”阶段平台处于北西天定向。用录数软件同步录取被测惯导系统与基准惯导系统的横摇角、纵摇角、航向角信息。
e)对过程d)录取的两套惯导系统的横摇角、纵摇角采取曲线拟合的方法，求取被测惯导系统北西天定向时相对基准惯导系统的横摇角差值、纵摇角差值(RIN-RⅡE、PIN-PⅡE)。
f)根据步骤c)、e)的计算结果，代入式(33)、式(34)，计算δR、δP；将δR、δP计算结果代入式(35)、式(36)，计算α、β；将α、β计算结果代入式(37)、式(38)，得到东向、北向加速度计零位值AE、AN。
δR＝(RIE-RⅡE)-(RIN-RⅡE) (33)
δP＝(PIE-PⅡE)-(PIN-PⅡE) (34)
Figure BDA0002551709690000101
Figure BDA0002551709690000102
Figure BDA0002551709690000103
Figure BDA0002551709690000111
2.3实施注意事项
实施过程中，有以下注意事项：
a)尽量选取码头风浪较小的条件进行测量，以减小动态测量误差；
b)测量姿态角之前，惯导系统进行有效的三位置正常校；
c)姿态角串口录数频率大于10Hz；
d)每次姿态角录数时间不少于20min。
通过多次测试，上述加速度计零位检查的精度可以满足惯导系统的精度要求。
一种实现上述惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法的系统。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种惯导系统用码头动态加速度计零位检查方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、至少预备两套惯导系统并进行参数定义，将其中至少一套惯导系统做为基准惯导系统；所述参数定义具体为：
α为台体坐标系绕OXp正向转角为正，即北高；β为台体坐标系绕OYp正向转角为正，即西高；R为横摇角绕艏向转动为负；P为纵摇角绕右舷向转动为负；
当台体水平时，测量R、P值：
R＝R0-αsinH-βcosH；
P＝P0-αcosH+βsinH；
其中：R为横摇角测量值；P为纵摇角测量值；H为平台台体东北天定向时航向值；R0为横摇角真值；P0为纵摇角真值；α为北向加速度计偏角；β为东向加速度计偏角；
S2、东北天－北西天定向测量和东北天－西南天定向测量；其中：
所述东北天－北西天定向测量具体步骤为：
被测惯导系统在东北天定向时，相对基准惯导系统的横摇角误差、纵摇角误差如下：
ΔRE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (1)
ΔPE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (2)
其中：ΔRE为被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇角误差，ΔPE为被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的纵摇角误差；
被测惯导系统在北西天定向时，相对基准惯导系统的横摇角误差、纵摇角误差如下：
ΔRN＝RIN-RIIE＝R0-αcosH+βsinH (3)
ΔPN＝PIN-PIIE＝P0+αsinH+βcosH (4)
其中：ΔRN为被测惯导系统在北西天定向时相对基准惯导系统的横摇角误差；ΔPN为被测惯导系统在北西天定向时相对基准惯导系统的纵摇角误差；
(1)式减(3)式得：
δR＝α(cosH-sinH)-β(cosH+sinH) (5)
(2)式减(4)式得：
δP＝-α(cosH+sinH)+β(sinH-cosH) (6)
整理(5)式、(6)式得：
δR(cosH-sinH)＝α(1-2cosHsinH)-β(cos2H-sin2H) (7)
δR(cosH+sinH)＝α(cos2H-sin2H)-β(1+2cosHsinH) (8)
δP(cosH+sinH)＝-α(1+2cosHsinH)+β(sin2H-cos2H) (9)
δP(sinH-cosH)＝-α(sin2H-cos2H)-β(1-2cosHsinH) (10)
(7)式减(9)式整理后得：
Figure FDA0003638950250000021
(8)式减(10)式整理后得：
Figure FDA0003638950250000022
采用(13)式、(14)式求取δR、δP：将δR、δP计算结果代入(11)式、(12)式进行计算；
δR＝(RⅠE-RⅡE)-(RⅠN-RⅡE) (13)
δP＝(PⅠE-PⅡE)-(PⅠN-PⅡE) (14)
其中：RⅠE为被测惯导系统东北天定向时横摇角；RⅠN为被测惯导系统北西天定向时横摇角；PⅠE为被测惯导系统东北天定向时纵摇角；PⅠN为被测惯导系统北西天定向时纵摇角；RⅡE为基准惯导系统东北天定向时横摇角；PⅡE为基准惯导系统东北天定向时纵摇角；
根据(11)式、(12)式计算结果，获得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure FDA0003638950250000023
Figure FDA0003638950250000024
其中：AE为东向加速度计零位；AN为北向加速度计零位；AE0为装订东向加速度计零位；AN0为装订北向加速度计零位；JE为东向加速度计标度；JN为北向加速度计标度；
所述东北天－西南天定向测量具体步骤为：
被测惯导系统在东北天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
ΔRE＝RIE-RIIE＝R0-αsinH-βcosH (17)
ΔPE＝PIE-PIIE＝P0-αcosH+βsinH (18)
被测惯导系统在西南天定向时相对基准惯导系统的横摇、纵摇角误差如下：
ΔRW＝RIW-RIIE＝R0+αsinH+βcosH (19)
ΔPW＝PIW-PIIE＝P0+αcosH-βsinH (20)
定义：RⅠW为被测惯导系统西南天定向时横摇角；PⅠW为被测惯导系统西南天定向时纵摇角；
(17)式减(19)式得：
δR＝－2(αsinH+βcosH) (21)
(18)式减(20)式得：
δP＝－2(αcosH－βsinH) (22)
由(21)式得：
Figure FDA0003638950250000031
Figure FDA0003638950250000032
由(22)式得：
Figure FDA0003638950250000033
Figure FDA0003638950250000034
(23)式加(25)式，(24)式减(26)式得：
Figure FDA0003638950250000041
Figure FDA0003638950250000042
通过(29)式、(30)式获得δR、δP：将δR、δP计算结果，并代入(27)式、(28)式进行计算；
δR＝(RⅠE-RⅡE)-(RⅠW-RⅡE) (29)
δP＝(PⅠE-PⅡE)-(PⅠW-PⅡE) (30)
根据(27)式、(28)式计算结果，获得被测惯导系统加速度计零位值：
Figure FDA0003638950250000043
Figure FDA0003638950250000044
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