CN112729290B - 一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法 - Google Patents

一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法 Download PDF

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CN112729290B CN202011556099.5A CN202011556099A CN112729290B CN 112729290 B CN112729290 B CN 112729290B CN 202011556099 A CN202011556099 A CN 202011556099A CN 112729290 B CN112729290 B CN 112729290B
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Abstract

本发明具体涉及一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其根据最近时段的导航解算周期载体航姿角速率以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，对当前导航解算时刻的载体航姿信息进行补偿。具体包括：计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率；在同步时刻，计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差；根据当前导航解算时刻的载体航姿信息，最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，计算得到同步时刻载体航姿信息。本发明中的航姿数据同步误差补偿方法能够实现同步时刻与导航解算时刻实时性同步，从而能够提升惯性导航设备的航姿信息输出实时性和可靠性。

Description

一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法。
背景技术
惯性导航产品具有测量动态范围宽、线性度好、性能稳定、全天候导航等优点，在舰船导航领域具有不可替代性。惯性导航产品的实质是利用核心敏感器件对载体的角运动信息和视加速度信息进行采集，通过一定的数学模型获得载体相对于当地地理坐标系下的角速度和加速度信息，采用积分的方式计算出载体的航姿信息、速度信息、位置信息等。
惯性导航产品惯性传感器误差的激励效果直接影响到其在线标定与补偿后的导航精度和可靠性等综合性能，是惯性导航产品惯性传感器误差参数辨识的前提。为此，在研究惯性传感器误差参数动态辨识方法的同时，需要分析并确定引起惯性导航产品惯性传感器误差的因素。为此，公开号为CN104215262A的中国专利就公开了《一种惯性导航系统惯性传感器误差在线动态辨识方法》其包括以下步骤：首先建立惯性传感器的误差模型，据此建立包含惯性传感器误差状态量的卡尔曼滤波模型；随后给出了惯性传感器误差的动态激励方法；最后根据误差动态激励方法设计误差辨识动态航迹，利用卡尔曼滤波对惯性传感器误差进行在线动态辨识。该方案能够有效激励惯性传感器误差。
惯性导航产品作为为舰船导航提供导航定位数据信息的设备，其数据输出时刻受系统外部时统信号触发输出，在积分计算过程中，需要建立内部时间片，从而计算出载体在不同计算时刻的航姿信息。然而，由于系统时钟源和惯性导航设备内部时钟源精度差异、以及系统同步设备和惯性导航设备上电先后顺序等原因，系统外部时统信号与导航设备内部时统信号不能完全同步，即惯性导航设备导航解算时刻与同步时刻(外部系统通过外时统获取航姿数据时刻)不一致，导致导航设备输出数据存在时差。此外，在不做同步时差补偿情况下，惯性导航设备输出航姿数据为同步时刻前一导航解算时刻的数据，则产生数据时刻与输出时刻存在上述时差，并且该时差受惯性导航解算频率和外部时统信号稳定性影响，存在动态变化的情况，不能准确反映外时统要求时刻载体实时航向姿态信息。因此，申请人想到设计一种能够实现同步时刻与导航解算时刻实时性同步的航姿数据同步误差补偿方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够实现同步时刻与导航解算时刻实时性同步的航姿数据同步误差补偿方法，从而提升惯性导航设备的航姿信息输出实时性和可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，根据最近时段的导航解算周期载体航姿角速率以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，对当前导航解算时刻的载体航姿信息进行补偿。
优选的，具体包括如下步骤：
S1：根据当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000021
以及上一导航解算时刻t1及其对应的载体航姿数据/>
Figure BDA0002855948200000022
计算t1～t2这一时段的载体航姿角速率作为最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure BDA0002855948200000023
S2：在同步时刻tout，计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t；
S3：根据当前导航解算时刻的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000024
最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure BDA0002855948200000025
以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t，计算得到同步时刻载体航姿信息。
优选的，步骤S1之前，先将惯性导航设备处理器的工作频率Fa分频成导航解算频率Fb和计时频率Fc，分别用于计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure BDA0002855948200000026
和同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t。
优选的，步骤S1中，先获取载体角运动和视加速度信息，再进行导航解算以计算得到当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000027
优选的，步骤S1中，最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure BDA0002855948200000028
通过如下公式计算：
Figure BDA0002855948200000029
式中，/>
Figure BDA00028559482000000210
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化量，其通过载体航姿变化矩阵/>
Figure BDA00028559482000000211
进行提取；
具体的，载体航姿变化量
Figure BDA00028559482000000212
通过如下公式计算：
Figure BDA00028559482000000213
式中，Γ表示航姿提取公式，/>
Figure BDA00028559482000000214
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化矩阵；
其中，载体航姿变化矩阵
Figure BDA00028559482000000215
通过如下公式计算：
Figure BDA00028559482000000216
式中，/>
Figure BDA00028559482000000217
表示将上一导航解算时刻t1的载体航姿数据/>
Figure BDA00028559482000000218
转换为载体航姿矩阵，/>
Figure BDA0002855948200000031
表示将当前导航解算时刻t2的载体航姿信息/>
Figure BDA0002855948200000032
转换为载体航姿矩阵。
优选的，步骤S2中，首先设置缓存计数器Counter，其在每个导航解算时刻进行清零，并以计时频率Fc进行累加计数完成时间测量。
优选的，在同步时刻tout，锁存缓存计数器Counter的数据和性能，并计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t。
优选的，同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t通过如下公式计算：
▽t＝Counter/Fc，式中，表示▽t同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，Counter表示缓存计数器的锁存数据，Fc表示计时频率。
优选的，步骤S3中，同步时刻载体航姿信息通过如下公式计算：
Figure BDA0002855948200000033
式中，Atiout表示同步时刻载体航姿信息，Ati2表示当前导航解算时刻的载体航姿信息，/>
Figure BDA0002855948200000034
表示最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，▽t同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差。
优选的，工作频率Fa为100MHz，导航解算频率Fb为100Hz，计时频率Fc为100KHz。
本发明中的航姿数据同步误差补偿方法与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明中，利用了惯性导航设备的内部时钟、并通过惯性导航设备处理器对设备内部的同步时刻(外部同步时统时刻)与当前导航解算时刻之间的时差进行了精确测量，然后利用设备最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，对两者时差导致的姿态误差进行实时性补偿得到了同步时刻载体航姿信息，从而提高了惯性导航设备航姿信息输出的实时性。
2、本发明中，采用动态测量的方式计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，这能够解决设备与系统同步时统设备上电先后顺序以及时钟源误差等导致的时差动态变化问题，从而能够提升惯性导航设备航姿信息输出的可靠性。
3、本发明中，通过当前导航解算时刻的载体航姿信息和上一导航解算时刻的载体航姿数据计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，使得最近时段的导航解算周期载体航姿角速率能够很好地反映载体航姿数据的变化趋势，从而能够保证航姿数据同步误差补偿的补偿效果。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例中航姿数据同步误差补偿方法的逻辑框图；
图2为实施例中航姿数据同步误差补偿的流程图；
图3为实施例中惯性导航设备工作时的时序图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
本实施例中公开了一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法。
一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其根据最近时段的导航解算周期载体航姿角速率以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，对当前导航解算时刻的载体航姿信息进行补偿。
如图1所示，航姿数据同步误差补偿方法具体包括如下步骤：
S1：根据当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000041
以及上一导航解算时刻t1及其对应的载体航姿数据/>
Figure BDA0002855948200000042
计算t1～t2这一时段的载体航姿角速率作为最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure BDA0002855948200000043
S2：在同步时刻tout，计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t；
S3：根据当前导航解算时刻的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000044
最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure BDA0002855948200000045
以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t，计算得到同步时刻载体航姿信息。
结合图2和图3所示，本发明利用了惯性导航设备的内部时钟、并通过惯性导航设备处理器对设备内部的同步时刻(外部同步时统时刻)与当前导航解算时刻之间的时差进行了精确测量，然后利用设备最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，对两者时差导致的姿态误差进行实时性补偿得到了同步时刻载体航姿信息，从而提高了惯性导航设备航姿信息输出的实时性。其次，本发明采用动态测量的方式计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，这能够解决设备与系统同步时统设备上电先后顺序以及时钟源误差等导致的时差动态变化问题，从而能够提升惯性导航设备航姿信息输出的可靠性。此外，本发明中通过当前导航解算时刻的载体航姿信息和上一导航解算时刻的载体航姿数据计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，使得最近时段的导航解算周期载体航姿角速率能够很好地反映载体航姿数据的变化趋势，从而能够保证航姿数据同步误差补偿的补偿效果。
具体实施过程中，步骤S1之前，先将惯性导航设备处理器的工作频率Fa分频成导航解算频率Fb和计时频率Fc，分别用于计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure BDA0002855948200000046
和同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t。本实施例中，惯性导航设备的处理器选用FGPA、ARM或DSP等对晶振输入基准频率进行倍频，从而使处理器工作在较高的工作频率；工作频率Fa为100MHz，导航解算频率Fb为100Hz，计时频率Fc为100KHz。
本发明中，将惯性导航设备处理器的工作频率分频成导航解算频率和计时频率，目的是能够尽可能的兼顾航姿角速率和时差的计算速率，从而保证航姿数据同步误差补偿的补偿效果。
具体实施过程中，步骤S1中，先获取载体角运动和视加速度信息，再进行导航解算以计算得到当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure BDA0002855948200000051
本实施例中，利用现有技术中成熟使用的陀螺计和加速度计获取载体角运动和视加速度信息。
本发明中，通过载体角运动和视加速度信息导航解算得到当前导航解算时刻及其对应的载体航姿信息，有利于后续导航解算周期载体航姿角速率的计算，从而能够保证航姿数据同步误差补偿的补偿效果。
具体实施过程中，步骤S1中，最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure BDA0002855948200000052
通过如下公式计算：
Figure BDA0002855948200000053
式中，/>
Figure BDA0002855948200000054
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化量，其通过载体航姿变化矩阵/>
Figure BDA0002855948200000055
进行提取；
具体的，载体航姿变化量
Figure BDA0002855948200000056
通过如下公式计算：
Figure BDA0002855948200000057
式中，Γ表示设置的航姿提取公式(航姿提取公式的设置为现有技术中的成熟手段)，/>
Figure BDA0002855948200000058
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化矩阵；
其中，载体航姿变化矩阵
Figure BDA0002855948200000059
通过如下公式计算：/>
Figure BDA00028559482000000510
式中，/>
Figure BDA00028559482000000511
表示将上一导航解算时刻t1的载体航姿数据/>
Figure BDA00028559482000000512
转换为载体航姿矩阵，/>
Figure BDA00028559482000000513
表示将当前导航解算时刻t2的载体航姿信息/>
Figure BDA00028559482000000514
转换为载体航姿矩阵。
具体实施过程中，步骤S2中，首先设置缓存计数器Counter，其在每个导航解算时刻进行清零，并以计时频率Fc进行累加计数完成时间测量。在同步时刻tout，锁存缓存计数器Counter的数据和性能，并计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t。
本发明中，通过上述方式计算时差，即实现了同步时刻与当前导航解算时刻之间时差的动态测量，这能够解决设备与系统同步时统设备上电先后顺序以及时钟源误差等导致的时差动态变化问题，从而能够提升惯性导航设备航姿信息输出的可靠性。
具体实施过程中，同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差▽t通过如下公式计算：
▽t＝Counter/Fc，式中，表示▽t同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，Counter表示缓存计数器的锁存数据，Fc表示计时频率。
本发明中，通过上述公式能够很好地计算得到同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，有利于保证航姿数据同步误差补偿的补偿效果。
具体实施过程中，步骤S3中，同步时刻载体航姿信息通过如下公式计算：
Figure BDA0002855948200000061
式中，Atiout表示同步时刻载体航姿信息，Ati2表示当前导航解算时刻的载体航姿信息，/>
Figure BDA0002855948200000062
表示最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，▽t同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差。
本发明中，通过上述公式能够很好地计算得到同步时刻载体航姿信息，其利用了惯性导航设备的内部时钟、并通过惯性导航设备处理器对设备内部的同步时刻(外部同步时统时刻)与当前导航解算时刻之间的时差进行了精确测量，然后利用设备最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，对两者时差导致的姿态误差进行实时性补偿得到了同步时刻载体航姿信息，从而提高了惯性导航设备航姿信息输出的实时性。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于：根据最近时段的导航解算周期载体航姿角速率以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，对当前导航解算时刻的载体航姿信息进行补偿；
具体包括如下步骤：
S1：根据当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure FDA0004206452400000011
以及上一导航解算时刻t1及其对应的载体航姿数据/>
Figure FDA0004206452400000012
计算t1～t2这一时段的载体航姿角速率作为最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure FDA0004206452400000013
S2：在同步时刻tout，计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差
Figure FDA0004206452400000014
S3：根据当前导航解算时刻的载体航姿信息
Figure FDA0004206452400000015
最近时段的导航解算周期载体航姿角速率/>
Figure FDA0004206452400000016
以及同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差/>
Figure FDA0004206452400000017
计算得到同步时刻载体航姿信息。
2.如权利要求1所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于：步骤S1之前，先将惯性导航设备处理器的工作频率Fa分频成导航解算频率Fb和计时频率Fc，分别用于计算最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure FDA0004206452400000018
和同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差/>
Figure FDA0004206452400000019
3.如权利要求1所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于：步骤S1中，先获取载体角运动和视加速度信息，再进行导航解算以计算得到当前导航解算时刻t2及其对应的载体航姿信息
Figure FDA00042064524000000110
4.如权利要求1所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中，最近时段的导航解算周期载体航姿角速率
Figure FDA00042064524000000111
通过如下公式计算：
Figure FDA00042064524000000112
式中，/>
Figure FDA00042064524000000113
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化量，其通过载体航姿变化矩阵/>
Figure FDA00042064524000000114
进行提取；
具体的，载体航姿变化量
Figure FDA00042064524000000115
通过如下公式计算：
Figure FDA00042064524000000116
式中，Γ表示航姿提取公式，/>
Figure FDA00042064524000000117
表示t1～t2这一时段的载体航姿变化矩阵；
其中，载体航姿变化矩阵
Figure FDA00042064524000000118
通过如下公式计算：
Figure FDA00042064524000000119
式中，/>
Figure FDA00042064524000000120
表示将上一导航解算时刻t1的载体航姿数据/>
Figure FDA00042064524000000121
转换为载体航姿矩阵，/>
Figure FDA0004206452400000021
表示将当前导航解算时刻t2的载体航姿信息/>
Figure FDA0004206452400000022
转换为载体航姿矩阵。
5.如权利要求2所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于：步骤S2中，首先设置缓存计数器Counter，在每个导航解算时刻对Counter进行清零，并以计时频率Fc进行累加计数，从而进行时差测量。
6.如权利要求5所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于：在同步时刻tout，锁存缓存计数器Counter累加值，计算同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差
Figure FDA0004206452400000023
7.如权利要求5所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于，同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差
Figure FDA0004206452400000024
通过如下公式计算：
Figure FDA0004206452400000025
式中，表示/>
Figure FDA0004206452400000026
同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差，Counter表示外同步中断产生时对Counter缓存计数器累加值的锁存数据，Fc表示计时频率。
8.如权利要求1所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于，步骤S3中，同步时刻载体航姿信息通过如下公式计算：
Figure FDA0004206452400000027
式中，Atiout表示同步时刻载体航姿信息，Ati2表示当前导航解算时刻的载体航姿信息，/>
Figure FDA0004206452400000028
表示最近时段的导航解算周期载体航姿角速率，/>
Figure FDA0004206452400000029
同步时刻与当前导航解算时刻之间的时差。
9.如权利要求2所述的惯性导航设备的航姿数据同步误差补偿方法，其特征在于，工作频率Fa为100MHz，导航解算频率Fb为100Hz，计时频率Fc为100KHz。
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