CN112129289B - 一种基于输出校正的容错水平阻尼方法 - Google Patents

一种基于输出校正的容错水平阻尼方法 Download PDF

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CN112129289B CN202011368821.2A CN202011368821A CN112129289B CN 112129289 B CN112129289 B CN 112129289B CN 202011368821 A CN202011368821 A CN 202011368821A CN 112129289 B CN112129289 B CN 112129289B
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Abstract

本发明提出了一种基于输出校正的容错水平阻尼方法。本发明在无阻尼纯惯导解算的系统外部采用基于输出校正形式实现水平阻尼，阻尼并不会影响无阻尼的导航参数解算，根据外参考速度误差变化自动进行阻尼切换并输出阻尼或无阻尼的导航参数解算结果。相对传统方法，这种方法切换方便，可靠性高，可以避免变阻尼瞬间的大幅度超调振荡，具有重大实用价值。

Description

一种基于输出校正的容错水平阻尼方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，特别是一种在惯导系统外部实现的容错水平阻尼方法。
背景技术
纯惯导系统的水平通道是无阻尼的，各种误差源和初始条件误差都会导致持续的舒勒周期振荡。引入外参考速度，可以阻尼水平通道的舒勒周期振荡。如对于航海惯导，参考速度通常来自计程仪。传统水平阻尼基于闭环反馈实现，将外参考速度误差引入惯导导航解算。为了解决外参考速度误差问题，通常采用变阻尼技术。由于海洋航行的复杂性，变阻尼技术仅限于一定条件下具有适当作用。然而这种变阻尼方法在切换过程中，尤其是无阻尼切换至阻尼，容易出现速度超调振荡及其位置明显偏移。
要建立精确的外速度误差模型十分复杂。一方面舰船自身机动航行时，计程仪速度被环绕运载体的畸变水流污染；另一方面，在一些海域（如海湾和海沟），洋流大小和方向变化明显，也会引起外速度误差变化。传统的闭环阻尼，直接将阻尼的导航参数解算结果反馈在纯惯导解算回路中，由于阻尼进入稳态需要一定的时间，外参考信息也有一定的误差，有可能会导致导航参数的精度降低甚至发散。另外基于闭环阻尼的变阻尼切换过程，如果无阻尼的导航参数本身精度不高，那么变阻尼的效果也不会很好。
传统方法存在的不足是：基于反馈校正的阻尼，直接将阻尼的导航参数解算结果反馈在纯惯导解算回路中，由于阻尼进入稳态需要一定的时间，外参考信息也有一定的误差，有可能会导致纯惯导解算的结果受到影响。另外基于闭环阻尼的变阻尼切换过程，如果无阻尼的导航参数已经被阻尼的坏结果污染，那么变阻尼的效果也不会很好。
发明内容
传统水平阻尼方法将外参考速度误差引入惯性导航解算，采用闭环形式实现阻尼，从而达到减小舒勒周期振荡的目的。这种方法存在的不足是：基于反馈校正的阻尼会直接参与纯惯导解算，在阻尼还没进入稳态或者外参考速度误差较大时会直接影响导航解算结果；并且在变阻尼切换过程中，尤其是无阻尼切换至阻尼，容易出现速度超调振荡及其位置明显偏移。针对以上问题，本发明提出了一种基于输出校正的容错水平阻尼方法。本发明在无阻尼纯惯导解算的系统外部采用基于输出校正形式实现水平阻尼，阻尼并不会影响无阻尼的导航参数解算，根据外参考速度误差变化自动进行阻尼切换并输出阻尼或无阻尼的导航参数解算结果。相对传统方法，这种方法切换方便，可靠性高，可以避免变阻尼瞬间的大幅度超调振荡，具有重大实用价值。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
一种基于输出校正的容错水平阻尼方法，包括以下步骤：
第1步：装订初始参数，包括装订无阻尼的初始导航参数。
第2步：纯惯导解算当前时刻无阻尼导航参数。
第3步：获取当前时刻外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
与上一时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，判断是否符合判据
Figure DEST_PATH_IMAGE005
并且i＞2，其中α为预设的判据阈值；当前外参考速度不符合判据时，则将当前时刻的无阻尼导航参数赋值给当前时刻的阻尼后的导航参数并输出，然后跳至第2步直至导航解算结束；当外参考速度符合判据时，进行水平速度阻尼，得到当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
第4步：通过当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
采用位置增量方式解算当前时刻的阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
第5步：通过当前时刻的阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE009
解算阻尼后的姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
第6步：输出当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、位置
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，跳至第2步直至导航解算结束。
本发明第1步中，初始导航参数包含东北天三个方向的初始速度
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，包含经纬度的初始位置
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和初始姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
本发明第2步中，根据IMU惯性测量单元实时提供的旋转角速度、比力矢量和上一时刻的导航参数
Figure DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，按纯惯导算法解算得到当前时刻的无阻尼导航参数
Figure DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。
本发明第3步中，通过水速计获取当前时刻外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE025
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE026
与上一时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
。当当前时刻的外参考速度符合判据时，而上一时刻的数据不符合判据，进行水平速度阻尼，记录下当前时刻T i 为阻尼起始时间即T D =T i ，得到当前时刻的阻尼后速度的方法是：
通过当前时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，以及上两个时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
和阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，采用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE039
得到当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE040
。本发明一实施例中，num(1)=1.0，
num(2)=-1.99997367841154，num(3)=0.999975215058425，dum(1)=1.0，dum(2)=-1.998759231835443，dum(3)=0.998760768482328。
本发明的第4步中，判断速度连续阻尼的时间是否超过
Figure DEST_PATH_IMAGE041
小时，即如果
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE043
；如果
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，则根据当前时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE045
、阻尼后的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE046
和外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE047
以及上一时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、速度
Figure DEST_PATH_IMAGE050
和外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，采用位置增量计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE052
式中R N 和R E 分别是子午面曲率半径和横向曲率半径，h是海拔高度。
得到当前时刻的阻尼后位置
Figure DEST_PATH_IMAGE053
。
本发明第5步中，根据当前时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE054
计算出地球系至无阻尼导航系转移矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE055
。 根据当前时刻的阻尼后位置
Figure DEST_PATH_IMAGE056
计算出地球系至阻尼导航系转移矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE057
，阻尼后的姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE058
由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE059
计算得到。
相对于现有技术，本发明能够获得以下技术效果：
本发明通过上述技术方案在无阻尼输出的基础上在系统外部增加了一层基于输出校正的水平阻尼，且无阻尼导航解算不受阻尼计算影响，同时具备了阻尼输出和无阻尼输出。这样一来，即使阻尼导航参数解算的结果出现了较大的误差，依然不会影响无阻尼的解算结果。
本发明设置了外参考速度误差变化判据，自动判定外参考速度误差变化。判定外速度误差较大后，切换无阻尼输出；判定外速度稳定之后，切换阻尼输出，待阻尼速度稳定后，再输出阻尼位置。这样就能够保证阻尼切换有最大限度的容错效果。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图。
具体实施方案
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本实施例采用本发明提供的基于输出校正的容错水平阻尼方法，具体地提供一种应用于航海惯导的基于输出校正的容错水平阻尼方法，在纯惯导无阻尼解算的基础上通过引入外参考速度增加了基于输出校正水平阻尼的解算，并且不会影响原来的无阻尼解算过程。通过外参考速度的判据判断输出无阻尼导航参数或者阻尼后导航参数。具体地，包括以下步骤：
第1步：装订初始参数。
包括装订无阻尼的初始导航参数、外参考速度判据的阈值α、α取值区间为[0.1,1]，根据计程仪精度选择合适数值。速度阻尼稳定的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 889393DEST_PATH_IMAGE060
通常取1.5小时，以及基于输出校正水平阻尼传递函数离散时间表达式系数num和dum为：
Figure DEST_PATH_IMAGE061
；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
。
装订无阻尼的初始导航参数，也就是包含东北天三个方向的初始速度
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，包含经、纬度的初始位置
Figure DEST_PATH_IMAGE064
和初始姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE065
。
第2步：纯惯导解算当前时刻无阻尼导航参数。
根据IMU惯性测量单元实时提供的旋转角速度、比力矢量和上一时刻的导航参数
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，按照传统的纯惯导算法解算得到当前时刻的无阻尼导航参数
Figure DEST_PATH_IMAGE069
、
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
。
第3步：根据水速计获取的当前时刻外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE074
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE075
与上一时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE076
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
。
判断是否符合判据
Figure DEST_PATH_IMAGE080
并且i＞2；当前外参考速度不符合判据时，则将当前时刻的无阻尼导航参数赋值给当前时刻的阻尼后的导航参数，即
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
，同时将速度、位置和姿态矩阵输出，然后跳至第2步直至导航解算结束。
当当前时刻的外参考速度符合判据时，而上一时刻的数据不符合判据，进行水平速度阻尼，记录下当前时刻T i 为阻尼起始时间即T D =T i ，得到当前时刻的阻尼后速度。具体地：
通过当前时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE084
、无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE085
，以及上两个时刻的外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure DEST_PATH_IMAGE087
，无阻尼速度
Figure DEST_PATH_IMAGE088
、
Figure DEST_PATH_IMAGE089
和阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure DEST_PATH_IMAGE091
，采用公式
Figure DEST_PATH_IMAGE092
得到当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE093
，
Figure DEST_PATH_IMAGE094
。
第4步：通过当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE095
采用位置增量方式解算当前时刻的阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE096
。
判断速度连续阻尼的时间是否超过
Figure DEST_PATH_IMAGE097
小时，即如果
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE099
；如果
Figure DEST_PATH_IMAGE100
，则根据当前时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE101
、阻尼后的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE102
和外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE103
以及上一时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE105
、速度
Figure DEST_PATH_IMAGE106
和外参考速度
Figure DEST_PATH_IMAGE107
，采用位置增量计算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE108
得到当前时刻的阻尼后位置
Figure DEST_PATH_IMAGE109
，其中R N 和R E 分别是子午面曲率半径和横向曲率半径，h是海拔高度。
第5步：通过当前时刻的阻尼后的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE110
解算阻尼后的姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE111
。
根据当前时刻无阻尼的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE112
计算出地球系至无阻尼导航系转移矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE113
，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
。
根据当前时刻的阻尼后位置
Figure DEST_PATH_IMAGE115
计算出地球系至阻尼导航系转移矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE116
，
Figure DEST_PATH_IMAGE117
。
阻尼后的姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE118
由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE119
计算得到。
第6步：输出当前时刻的阻尼后速度
Figure DEST_PATH_IMAGE120
、位置
Figure DEST_PATH_IMAGE121
和姿态矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE122
，跳至第2步直至导航解算结束。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于，包括：
第1步：装订初始参数，包括装订无阻尼的初始导航参数；
第2步：纯惯导解算当前时刻无阻尼导航参数；
第3步：获取当前时刻外参考速度
Figure 544036DEST_PATH_IMAGE001
、无阻尼速度
Figure 511992DEST_PATH_IMAGE002
与上一时刻的外参考速度
Figure 608124DEST_PATH_IMAGE003
、无阻尼速度
Figure 522990DEST_PATH_IMAGE004
，判断是否符合判据
Figure 653758DEST_PATH_IMAGE005
并且
Figure 792615DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 359731DEST_PATH_IMAGE007
为预设的判据阈值；当前外参考速度不符合判据时，则将当前时刻的无阻尼导航参数赋值给当前时刻的阻尼后的导航参数并输出，然后跳至第2步直至导航解算结束；当当前时刻的外参考速度符合判据时，而上一时刻的数据不符合判据，进行水平速度阻尼，记录下当前时刻Ti为阻尼起始时间即TD=Ti，得到当前时刻的阻尼后速度的方法是：
通过当前时刻的外参考速度
Figure 609447DEST_PATH_IMAGE008
、无阻尼速度
Figure 594721DEST_PATH_IMAGE009
，以及上两个时刻的外参考速度
Figure 638900DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 709624DEST_PATH_IMAGE011
，无阻尼速度
Figure 763031DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 337232DEST_PATH_IMAGE013
和阻尼后速度
Figure 817891DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 110333DEST_PATH_IMAGE015
，采用公式
Figure 436272DEST_PATH_IMAGE016
得到当前时刻的阻尼后速度
Figure 130558DEST_PATH_IMAGE017
，其中num(1)、num(2)、num(3)、dum(1)、dum(2)、dum(3)为基于输出校正水平阻尼传递函数离散时间表达式系数，num(1)=1.0，num(2)=-1.99997367841154，num(3)=0.999975215058425，dum(1)=1.0，dum(2)=-1.998759231835443，dum(3)=0.998760768482328；
第4步：通过当前时刻的阻尼后速度采用位置增量方式解算当前时刻的阻尼后的位置；
第5步：通过当前时刻的阻尼后的位置解算阻尼后的姿态矩阵；
第6步：输出当前时刻的阻尼后速度、位置和姿态矩阵，跳至第2步直至导航解算结束。
2.根据权利要求1所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第1步中初始导航参数包含东北天三个方向的初始速度
Figure 782119DEST_PATH_IMAGE018
，还包含经度、纬度的初始位置
Figure 561857DEST_PATH_IMAGE019
和初始姿态矩阵
Figure 957066DEST_PATH_IMAGE020
。
3.根据权利要求1所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第2步中，根据IMU惯性测量单元实时提供的旋转角速度、比力矢量和上一时刻的导航参数
Figure 505859DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 328321DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 595355DEST_PATH_IMAGE023
，按纯惯导算法解算得到当前时刻的无阻尼导航参数
Figure 528676DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 915663DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 174606DEST_PATH_IMAGE026
。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第3步中，
Figure 663357DEST_PATH_IMAGE027
取值区间为
Figure 400368DEST_PATH_IMAGE028
。
5.根据权利要求4所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第3步中，通过水速计获取当前时刻外参考速度、无阻尼速度与上一时刻的外参考速度、无阻尼速度。
6.根据权利要求4所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第4步中，判断速度连续阻尼的时间是否超过
Figure 923754DEST_PATH_IMAGE029
小时，即如果
Figure 88019DEST_PATH_IMAGE030
，则
Figure 64065DEST_PATH_IMAGE031
；如果
Figure 604768DEST_PATH_IMAGE032
，则根据当前时刻无阻尼的位置
Figure 982660DEST_PATH_IMAGE033
、阻尼后的速度
Figure 317826DEST_PATH_IMAGE034
和外参考速度
Figure 781168DEST_PATH_IMAGE035
以及上一时刻无阻尼的位置
Figure 125562DEST_PATH_IMAGE036
，阻尼后的位置
Figure 92381DEST_PATH_IMAGE037
、速度
Figure 598449DEST_PATH_IMAGE038
和外参考速度
Figure 814666DEST_PATH_IMAGE039
，采用位置增量计算公式
Figure 431592DEST_PATH_IMAGE040
得到当前时刻的阻尼后位置
Figure 784076DEST_PATH_IMAGE041
，其中R N 和R E 分别是子午面曲率半径和横向曲率半径，h是海拔高度；
Figure 461045DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 633401DEST_PATH_IMAGE043
分别是
Figure 319597DEST_PATH_IMAGE044
时刻阻尼后的纬度、经度，
Figure 526587DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 358146DEST_PATH_IMAGE046
分别是
Figure 283377DEST_PATH_IMAGE047
时刻阻尼后的纬度、经度，
Figure 507685DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 569182DEST_PATH_IMAGE049
分别是
Figure 853532DEST_PATH_IMAGE050
时刻无阻尼的纬度、经度，
Figure 480DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 762900DEST_PATH_IMAGE052
分别是
Figure 944482DEST_PATH_IMAGE053
时刻无阻尼的纬度、经度，
Figure 399734DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 33978DEST_PATH_IMAGE055
分别是
Figure 600089DEST_PATH_IMAGE056
时刻阻尼后惯导导航解算的北向、东向速度，
Figure 636178DEST_PATH_IMAGE057
、
Figure 731173DEST_PATH_IMAGE058
分别是
Figure 852712DEST_PATH_IMAGE059
时刻外参考速度在北向、东向上的分速度，
Figure 222514DEST_PATH_IMAGE060
、
Figure 113110DEST_PATH_IMAGE061
分别是
Figure 910164DEST_PATH_IMAGE062
时刻阻尼后惯导导航解算的北向、东向速度，
Figure 519000DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 410602DEST_PATH_IMAGE064
分别是
Figure 421283DEST_PATH_IMAGE065
时刻外参考速度在北向、东向上的分速度。
7.根据权利要求6所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第4步中，
Figure 389239DEST_PATH_IMAGE066
取1.5。
8.根据权利要求1所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第5步中，根据当前时刻无阻尼的位置计算出地球系至无阻尼导航系转移矩阵
Figure 954212DEST_PATH_IMAGE067
，根据当前时刻的阻尼后位置计算出地球系至阻尼导航系转移矩阵
Figure 665817DEST_PATH_IMAGE068
，阻尼后的姿态矩阵
Figure 796584DEST_PATH_IMAGE069
由公式
Figure 669862DEST_PATH_IMAGE070
计算得到。
9.根据权利要求8所述的基于输出校正的容错水平阻尼方法，其特征在于：第5步中，地球系至无阻尼导航系转移矩阵为：
Figure 987711DEST_PATH_IMAGE071
；
地球系至阻尼导航系转移矩阵为：
Figure 503006DEST_PATH_IMAGE072
。
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