CN111829554B - 一种深海平台纬度、姿态基准信息自主获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，特点为：首先构建装置A，由外框、中框、内框三个转动框架和安装在内框架上的台体组成，台体上安装加速度计和速率陀螺仪；然后建立平台固联坐标系oxyz，装置A安装于深海平台，深海平台下潜至海底，保持静止状态；然后依次进行内框轴连续旋转360°、外框轴旋转至θ1位置和中框轴旋转至ψ1位置、外框轴旋转至θ2和中框轴旋转至ψ2位置、内框轴连续旋转360°、外框轴旋转至θ3和中框轴旋转至ψ3位置的测量。本方法解决了深海水下缺乏获取精度定位、姿态参考信息的手段的瓶颈问题，为惯性导航系统误差评估和校正提供基准信息。

Description

一种深海平台纬度、姿态基准信息自主获取方法
技术领域
本发明属于一种深海平台水下导航定位技术领域，具体涉及一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法。
背景技术
当前我国积极推进“21世纪海上丝绸之路”国家发展战略，海军由“近海防御”向“近海防御、远海护卫、大洋存在、两极拓展”的军事战略转型，意味着国家海洋经济和军事力量发展走向深远海将常态化。导航信息保障作为海洋经济活动和军事活动的信息保障体系基础，但由于卫星导航、天文导航等多种导航手段水下应用受限，深远海平台主要以惯性导航为主，单一且能力有限，与日益增长的需求还存在较大差距。
由于军事任务需求，深海平台可能长时间潜航于水下，其惯性导航系统误差随时间累积，需获取精确的位置、姿态信息对惯导误差进行校正。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，该方法可解决深海水下缺乏获取精度定位、姿态参考信息的手段的瓶颈问题，为惯性导航系统误差评估和校正提供基准信息。
一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建装置A，装置A特征为：由外框、中框、内框三个转动框架和安装在内框架上的台体组成，中框轴与外框轴垂直，内框轴与中框轴垂直，台体上安装1个加速度计和1个速率陀螺仪，加速度计和陀螺仪敏感轴方向一致且与内框轴垂直；
步骤2：建立平台固联坐标系oxyz，平台右弦方向为x轴，平台艏向为y轴，由x、y轴根据右手法则确定z轴；装置A安装于深海平台，外框轴指y轴方向，外框轴零位时中框轴指x方向，中框轴零位时内框轴指z轴方向；内框轴零位时加速度计和陀螺仪的敏感轴指x轴方向；
步骤3：深海平台下潜至海底，保持静止状态；
步骤4：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息，加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平方向n，并计算将内框轴旋转至水平方向n对应的外框轴角位置θ1和中框轴角位置ψ1；
步骤5：外框轴旋转至θ1位置和中框轴旋转至ψ1位置，将内框轴置于水平方向n；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，该正弦曲线负峰值时加速度计敏感轴所指的方向为近似垂线方向g1(指天向)，记录此时内框轴的角位置k1，并记录加速度计输出正弦曲线的峰峰值G；计算将内框轴旋转至近似垂线方向g1时对应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2；
步骤6：外框轴旋转至θ2和中框轴旋转至ψ2位置，将内框轴置于近似垂线方向g1；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；若加速度计输出相对于内框轴角位置无明显起伏变化，近似垂线方向g1即是精确的垂线方向g(指天向)；若加速度计输出随内框轴角位置呈正弦曲线变化，则分别转动外框轴和中框轴一个小角度δθ和δψ，旋转后内框轴连续旋转360°，观察加速度计输出随内框轴角位置输出的变化曲线，如为正弦曲线，则按前述方法继续转动外框轴和中框轴一个小角度，直至加速度计输出随内框轴角位置输出曲线的无明显起伏变化，此时内框轴指向精确的垂线方向g，记录此时外框轴角位置θ和中框轴角位置ψ；
步骤7：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取陀螺仪角速率测量和内框轴角位置测量信息；根据陀螺仪的角速率测量值随内框轴角位置值呈现正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平东向he，记录此时对应的内框轴角位置k，计算将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3；
步骤8：根据内框轴指向精确的垂线方向g时的外框轴角位置θ、中框轴角位置ψ，以及内框轴角位置k计算当地水坐标系到平台固联坐标系oxyz的变换矩阵C，即获取了平台的姿态矩阵；
步骤9：外框轴旋转至θ3和中框轴旋转至ψ3位置，将内框轴置于水平东向he，内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计、陀螺仪角速率和内框轴角位置测量信息；加速度计输出值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，加速度计输出的正弦曲线负峰值处，加速度计敏感轴所指方向为垂线方向g，记录此时内框轴角位置
Figure BDA0002547301450000021
陀螺仪角速率值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，陀螺仪输出的正弦曲线正峰值处陀螺仪敏感轴对应方向为地球自转角速度矢量方向，记录此时内框轴角位置
Figure BDA0002547301450000022
计算垂线方向g与地球自转角速度矢量方向的夹角即为平台所处位置的纬度
Figure BDA0002547301450000023
进一步的：步骤4中水平方向n、外框轴角位置θ1和中框轴角位置ψ1计算方法如下：
加速度计测量值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，正弦曲线中相邻的正峰值和负峰值中间点处加速度计敏感轴的方向为水平方向n，此时内框轴角位置kh，则水平方向n的单位矢量在平台固联坐标系oxyz中坐标为(coskh，sinkh，0)；外框轴角位置θ1＝90°；中框轴角位置ψ1＝360-kh。
进一步的：步骤5中将内框轴旋转至近似垂线方向g1时相应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2的计算公式如下：
外框轴角位置θ2＝arctan[(cosk1cosθ1+sink1sinψ1sinθ1)/(-cosk1sinθ1+sink1 sinψ1cosθ1)]；
中框轴角位置ψ2＝arcsin(-sink1cosψ1)。
进一步的：步骤6中转动外框轴和中框轴的一个小角度δθ和δψ的计算方法如下：
(1)计算加速度计输出随内框轴角位置的变化的正弦曲线的峰峰值G1；
(2)记录正弦曲线相邻峰峰之间的中间点Kz对应的内框角位置值kk；
(3)若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波峰，则垂向偏离角γ＝G1/G；若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波谷，则垂向偏离角γ＝-G1/G；
(4)计算δθ＝γsinkk/cosψ2；
(5)计算δψ＝γcoskk。
进一步的：步骤7中将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3的计算公式如下：
外框轴角位置θ3＝arctan[(coskcosθ+sinksinψsinθ)/(-cosksinθ+sinksinψcosθ)]；
中框轴角位置ψ3＝arcsin(-sink1cosψ1)。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明方法基于地球重力矢量和自转矢量的特性，仅使用1个加速度计和1个陀螺仪即可获取精确的深海水下平台的纬度和姿态信息，该方法具有自主、隐蔽、抗干扰能力强的优点，极其适用于水下作战平台。
2、本发明方法利用加速度计输出随其旋转轴位置的正弦变化曲线特性信息搜索确定当地水平面，精度主要取决于加速度计的分辨率，克服了加速度计零偏、标度因数等误差和部分安装误差的影响，因此具有高精度的优点。
3、本发明方法利用陀螺仪输出随其旋转轴位置的正弦变化曲线特性信息搜索确定水平东向，精度主要取决于陀螺仪仪的分辨率，克服了陀螺仪零偏、随机游走等误差和部分安装误差的影响，因此具有高精度的优点。
附图说明
图1是本发明装置A的组成示意图。
具体实施方式
下面结合图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其发明点为，包括如下步骤：
步骤1：构建装置A，参见图1，装置A特征为：由外框1、中框2、内框3三个转动框架和安装在内框架上的台体组成，中框轴与外框轴垂直，内框轴与中框轴垂直，台体上安装1个加速度计5和1个速率陀螺仪4，加速度计和陀螺仪敏感轴方向一致且与内框轴垂直；
步骤2：建立平台固联坐标系oxyz，平台右弦方向为x轴，平台艏向为y轴，由x、y轴根据右手法则确定z轴；装置A安装于深海平台，外框轴指y轴方向，外框轴零位时中框轴指x方向，中框轴零位时内框轴指z轴方向；内框轴零位时加速度计和陀螺仪的敏感轴指x轴方向；
步骤3：深海平台下潜至海底，保持静止状态；
步骤4：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息，加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平方向n，并计算将内框轴旋转至水平方向n对应的外框轴角位置θ1和中框轴角位置ψ1；
加速度计测量值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，正弦曲线中相邻的正峰值和负峰值中间点处加速度计敏感轴的方向为水平方向n，此时内框轴角位置kh，则水平方向n的单位矢量在平台固联坐标系oxyz中坐标为(coskh，sinkh，0)；外框轴角位置θ1＝90°；中框轴角位置ψ1＝360-kh。
步骤5：外框轴旋转至θ1位置和中框轴旋转至ψ1位置，将内框轴置于水平方向n；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，该正弦曲线负峰值时加速度计敏感轴所指的方向为近似垂线方向g1(指天向)，记录此时内框轴的角位置k1，并记录加速度计输出正弦曲线的峰峰值G；计算将内框轴旋转至近似垂线方向g1时对应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2。
上述将内框轴旋转至近似垂线方向g1时相应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2的计算公式如下：
外框轴角位置θ2＝arctan[(cosk1cosθ1+sink1sinψ1sinθ1)/(-cosk1sinθ1+sink1 sinψ1cosθ1)]；
中框轴角位置ψ2＝arcsin(-sink1cosψ1)。
步骤6：外框轴旋转至θ2和中框轴旋转至ψ2位置，将内框轴置于近似垂线方向g1；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；若加速度计输出相对于内框轴角位置无明显起伏变化，近似垂线方向g1即是精确的垂线方向g(指天向)；若加速度计输出随内框轴角位置呈正弦曲线变化，则分别转动外框轴和中框轴一个小角度δθ和δψ，旋转后内框轴连续旋转360°，观察加速度计输出随内框轴角位置输出的变化曲线，如为正弦曲线，则按前述方法继续转动外框轴和中框轴一个小角度，直至加速度计输出随内框轴角位置输出曲线的无明显起伏变化，此时内框轴指向精确的垂线方向g，记录此时外框轴角位置θ和中框轴角位置ψ。
上述转动外框轴和中框轴的一个小角度δθ和δψ的计算方法如下：
(1)计算加速度计输出随内框轴角位置的变化的正弦曲线的峰峰值G1；
(2)记录正弦曲线相邻峰峰之间的中间点Kz对应的内框角位置值kk；
(3)若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波峰，则垂向偏离角γ＝G1/G；若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波谷，则垂向偏离角γ＝-G1/G；
(4)计算δθ＝γsinkk/cosψ2；
(5)计算δψ＝γcoskk。
步骤7：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取陀螺仪角速率测量和内框轴角位置测量信息；根据陀螺仪的角速率测量值随内框轴角位置值呈现正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平东向he，记录此时对应的内框轴角位置k，计算将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3。
上述将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3的计算公式如下：
外框轴角位置θ3＝arctan[(coskcosθ+sinksinψsinθ)/(-cosksinθ+sinksinψcosθ)]；
中框轴角位置ψ3＝arcsin(-sink1cosψ1)。
步骤8：根据内框轴指向精确的垂线方向g时的外框轴角位置θ、中框轴角位置ψ，以及内框轴角位置k计算当地水坐标系到平台固联坐标系oxyz的变换矩阵C，即获取了平台的姿态矩阵；
步骤9：外框轴旋转至θ3和中框轴旋转至ψ3位置，将内框轴置于水平东向he，内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计、陀螺仪角速率和内框轴角位置测量信息；加速度计输出值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，加速度计输出的正弦曲线负峰值处，加速度计敏感轴所指方向为垂线方向g，记录此时内框轴角位置
Figure BDA0002547301450000051
陀螺仪角速率值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，陀螺仪输出的正弦曲线正峰值处陀螺仪敏感轴对应方向为地球自转角速度矢量方向，记录此时内框轴角位置
Figure BDA0002547301450000052
计算垂线方向g与地球自转角速度矢量方向的夹角即为平台所处位置的纬度
Figure BDA0002547301450000053
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建装置A，装置A特征为：由外框、中框、内框三个转动框架和安装在内框架上的台体组成，中框轴与外框轴垂直，内框轴与中框轴垂直，台体上安装1个加速度计和1个速率陀螺仪，加速度计和陀螺仪敏感轴方向一致且与内框轴垂直；
步骤2：建立平台固联坐标系oxyz，平台右弦方向为x轴，平台艏向为y轴，由x、y轴根据右手法则确定z轴；装置A安装于深海平台，外框轴指y轴方向，外框轴零位时中框轴指x方向，中框轴零位时内框轴指z轴方向；内框轴零位时加速度计和陀螺仪的敏感轴指x轴方向；
步骤3：深海平台下潜至海底，保持静止状态；
步骤4：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息，加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平方向n，并计算将内框轴旋转至水平方向n对应的外框轴角位置θ1和中框轴角位置ψ1；
步骤5：外框轴旋转至θ1位置和中框轴旋转至ψ1位置，将内框轴置于水平方向n；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；加速度计测量值随内框轴角位置测量值呈正弦曲线变化，该正弦曲线负峰值时加速度计敏感轴所指的方向为近似垂线方向g1，g1指天向，记录此时内框轴的角位置k1，并记录加速度计输出正弦曲线的峰峰值G；计算将内框轴旋转至近似垂线方向g1时对应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2；
步骤6：外框轴旋转至θ2和中框轴旋转至ψ2位置，将内框轴置于近似垂线方向g1；内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计和内框轴角位置输出信息；若加速度计输出相对于内框轴角位置无明显起伏变化，近似垂线方向g1即是精确的垂线方向g，g指天向；若加速度计输出随内框轴角位置呈正弦曲线变化，则分别转动外框轴和中框轴一个小角度δθ和δψ，旋转后内框轴连续旋转360°，观察加速度计输出随内框轴角位置输出的变化曲线，若为正弦曲线，则按前述方法继续转动外框轴和中框轴一个小角度，直至加速度计输出随内框轴角位置输出曲线的无明显起伏变化，此时内框轴指向精确的垂线方向g，记录此时外框轴角位置θ和中框轴角位置ψ；
步骤7：内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取陀螺仪角速率测量和内框轴角位置测量信息；根据陀螺仪的角速率测量值随内框轴角位置值呈现正弦曲线变化，根据正弦曲线信息确定水平东向he，记录此时对应的内框轴角位置k，计算将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3；
步骤8：根据内框轴指向精确的垂线方向g时的外框轴角位置θ、中框轴角位置ψ，以及内框轴角位置k计算当地水坐标系到平台固联坐标系oxyz的变换矩阵C，即获取了平台的姿态矩阵；
步骤9：外框轴旋转至θ3和中框轴旋转至ψ3位置，将内框轴置于水平东向he，内框轴连续旋转360°，旋转期间同步录取加速度计、陀螺仪角速率和内框轴角位置测量信息；加速度计输出值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，加速度计输出的正弦曲线负峰值处，加速度计敏感轴所指方向为垂线方向g，记录此时内框轴角位置
Figure FDA0003646776780000021
陀螺仪角速率值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，陀螺仪输出的正弦曲线正峰值处陀螺仪敏感轴对应方向为地球自转角速度矢量方向，记录此时内框轴角位置
Figure FDA0003646776780000022
计算垂线方向g与地球自转角速度矢量方向的夹角即为平台所处位置的纬度
Figure FDA0003646776780000023
2.根据权利要求1所述的深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于：步骤4中水平方向n、外框轴角位置θ1和中框轴角位置ψ1计算方法如下：
加速度计测量值随内框轴角位置值呈正弦曲线变化，正弦曲线中相邻的正峰值和负峰值中间点处加速度计敏感轴的方向为水平方向n，此时内框轴角位置kh，则水平方向n的单位矢量在平台固联坐标系oxyz中坐标为(coskh，sinkh，0)；外框轴角位置θ1＝90°；中框轴角位置ψ1＝360-kh。
3.根据权利要求2所述的深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于：步骤5中将内框轴旋转至近似垂线方向g1时相应的外框轴角位置θ2和中框轴角位置ψ2的计算公式如下：
外框轴角位置θ2＝arctan[(cosk1cosθ1+sink1sinψ1sinθ1)/(-cosk1sinθ1+sink1sinψ1cosθ1)]；
中框轴角位置ψ2＝arcsin(-sink1cosψ1)。
4.根据权利要求3所述的深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于：步骤6中转动外框轴和中框轴的一个小角度δθ和δψ的计算方法如下：
(1)计算加速度计输出随内框轴角位置的变化的正弦曲线的峰峰值G1；
(2)记录正弦曲线相邻峰峰之间的中间点Kz对应的内框角位置值kk；
(3)若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波峰，则垂向偏离角γ＝G1/G；若是正弦曲线Kz点后面紧邻的为波谷，则垂向偏离角γ＝-G1/G；
(4)计算δθ＝γsinkk/cosψ2；
(5)计算δψ＝γcoskk。
5.根据权利要求4所述的深海平台维度、姿态基准信息自主获取方法，其特征在于：步骤7中将内框轴旋转至水平东向he时对应的外框轴角位置θ3和中框轴角位置ψ3的计算公式如下：
外框轴角位置θ3＝arctan[(coskcosθ+sinksinψsinθ)/(-cosksinθ+sinksinψcosθ)]；
中框轴角位置ψ3＝arcsin(-sink1cosψ1)。
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