CN113432624B - 一种激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法，属惯性导航技术领域，本发明设计了一种航行状态与停泊状态相结合的试验船运动方式，并且使惯导系统在停泊状态下进行初始对准时和航行阶段采用相同的旋转调制方案，从而能够保证各组导航实验的连续性，使得相邻两组导航实验过程可以共用部分导航原始数据；n组导航实验的舰船运动状态与初始对准时刻的停泊目的地均可以不同，这就保证了多组导航实验采样的充分性。本发明可以将n组N天长周期导航实验的总时长压缩至n+N‑1天，极大地节省了长周期导航测试的时间和资源成本。

Description

一种激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法
技术领域
本发明涉及一种用于激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法，属惯性导航技术领域。
背景技术
激光陀螺惯性导航系统(简称惯导系统)能够自主地提供载体的位置、速度和姿态等信息，随着对导航精度要求的不断提高，单纯的提高惯性器件(特别是陀螺)的精度很难满足使用要求。而旋转调制技术作为一种系统补偿方案，通过研究惯导系统自身的误差传播特性，为惯性测量单元设置某种周期性的旋转调制，从而抑制惯导系统各种误差因素所引起的导航误差。文献1(“四频激光陀螺旋转式惯导系统研究”，国防科技大学博士学位论文，2007年，袁保伦)提出了一种十六次序双轴转位方案，能够自动补偿惯导系统中全部惯性元件的常值漂移误差、安装误差、标度因数不对称性误差，目前被广泛应用于激光陀螺惯导系统的旋转调制技术之中。
激光陀螺旋转调制惯导系统因其精度高，独立自主的工作特性被广泛应用于水面舰船的长航时、高精度导航领域。对于船用惯导系统而言，系统在正式应用前，需要进行多组不同启动条件和不同航行条件下的导航测试，以评估其定位精度。并且高精度惯导系统的单次导航实验周期较长，按照传统方法采集多组导航实验样本，需要在完成一个实验周期的情况下，再进行下一导航周期，这将导致船用惯导系统的导航测试耗费大量的资源与时间成本。基于此，研究一种更高效快捷，同时完成所需全部导航测试任务的船用旋转调制惯导系统长周期导航测试方法有十分重要的意义。
发明内容
本发明旨在解决激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试总耗时长的问题，提供一种能够快速、高效完成多组长周期导航测试的方法，本发明适用于不同舰船启动条件(如正常启动，紧急启动，水面启动，水下启动等)和不同航行条件(如直线行驶，曲线行驶，不规则行驶等)的导航测试需求。
本发明采用的测试装置包括：试验船、被测试的激光陀螺旋转调制惯导系统、GPS模块、惯性/天文组合导航模块，惯性元件数据采集系统，导航解算计算机。
其中GPS模块由天线，信号接收机，电源等组成，可用于实时确定载体的位置和速度信息。惯性/天文组合导航模块由星敏感器，捷联惯性导航系统，导航解算计算机组成，用于提供高精度的载体姿态和航向信息。惯性元件数据采集系统由计算机和惯性元件数据采集软件组成，软件可同时采集激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息。
假设导航实验组数为n，每组导航实验所需天数为N，则设置n套惯性元件数据采集系统，每一套惯性元件数据采集系统分别负责采集对应次序的导航实验的原始数据；该方法步骤如下：
S1：将激光陀螺旋转调制惯导系统安装在试验船平台上，启动惯导系统使系统充分预热，启动GPS模块和惯性/天文组合导航模块，按照十六次序双轴转位方案(具体参见“四频激光陀螺旋转式惯导系统研究”，国防科技大学博士学位论文，2007年，袁保伦)对惯导系统进行旋转调制；
S2：试验船保持停泊状态6h，使被测试惯导系统完成导航实验1的初始对准：包括解析法粗对准和卡尔曼滤波精对准，其中解析法粗对准用时5min，卡尔曼滤波精对准用时5h55min；以初始对准开始时刻作为导航实验1的采样起点，惯性元件数据采集系统1开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的载体位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息；
S3：完成导航实验1的初始对准后，试验船进入航行状态，航行状态可以选择匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动等运动方式或这几种运动方式的随机组合，航行18h后到达任意停泊点；
S4：试验船进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验2的初始对准，以导航实验2的初始对准开始时刻作为导航实验2的采样起点，惯性元件数据采集系统2开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的载体位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，由于此时导航实验1并未结束，这些数据同时由惯性元件数据采集系统1和惯性元件数据采集系统2采集，因此可同时作为导航实验1和导航实验2的共用数据，包括导航原始数据，即代入导航解算的激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息；
S5：重复S3-S4直到第n组导航实验的初始对准阶段结束后，试验船进入持续航行状态，航行状态可以选择匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动等运动方式或这几种运动方式的随机组合，直到第n组导航实验进行到第N天时，航行结束；
S6：使用导航解算计算机分别处理n组导航实验的被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出，基于捷联惯导系统姿态、速度、位置更新算法(具体参见“惯性导航”，科学出版社，2014年，秦永元)计算得出n组导航实验的纯惯性导航姿态、速度和位置信息，将纯惯性导航位置、速度信息与GPS模块输出载体位置、速度信息进行比较，将纯惯性导航姿态信息与惯性/天文组合导航输出的载体姿态信息进行比较，评估惯导系统导航测试结果。
进一步地，本方法适用于激光陀螺惯导系统、光纤陀螺惯导系统、静电陀螺惯导系统等多种系统的长周期导航测试。
本发明具有以下技术效果：
按照传统方法，试验船搭载被测试惯导系统在完成一次N天长周期导航实验后，需要返回停泊状态，再进行第二次N天导航实验，n组导航实验的总时长为不少于n*N天，本发明设计了一种航行状态与停泊状态相结合的试验船运动方式，并且使惯导系统在停泊状态下进行初始对准时和航行阶段采用相同的旋转调制方案，从而能够保证各组导航实验的连续性，使得相邻两组导航实验过程可以共用部分导航原始数据；n组导航实验的舰船运动状态与初始对准时刻的停泊目的地均可以不同，这就保证了多组导航实验采样的充分性。本发明可以将n组N天长周期导航实验的总时长压缩至n+N-1天，极大地节省了长周期导航测试的时间和资源成本。
附图说明
图1为长周期导航测试方法实施流程框图；
图2为8组导航实验时过程中试验船的运动状态说明图；
图3为8组导航实验时实验数据采集时序图；
具体实施方式
为详细说明本发明公开的技术方案，以需要开展8组导航实验，每组导航实验需耗时30天为例，结合说明书附图做进一步的阐述。
附图1展示了发明的一种激光陀螺旋转调制惯导系统长周期导航测试方法的实施流程图，图2为8组导航实验时过程中试验船的运动状态说明图；图3为8组导航实验时实验数据采集时序图；
本发明所述一种激光陀螺旋转调制惯导系统长周期导航测试方法的具体步骤如下：
S1：将激光陀螺旋转调制惯导系统安装在试验船平台上，启动惯导系统使系统充分预热，启动GPS模块和惯性/天文组合导航模块，按照十六次序双轴转位方案(具体参见“四频激光陀螺旋转式惯导系统研究”，国防科技大学博士学位论文，2007年，袁保伦)对惯导系统进行旋转调制；
S2：试验船保持停泊状态6h，使惯导系统完成导航实验1的初始对准：包括解析法粗对准和卡尔曼滤波精对准，其中解析法粗对准用时5min，卡尔曼滤波精对准用时5h55min；以初始对准开始时刻作为导航实验1的采样起点，惯性元件数据采集系统1开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第30天结束时刻停止采样；
S3：完成导航实验1的初始对准后，试验船进入航行状态A，8组导航实验分别对应8个航行状态，例如导航实验1对应航行状态A，导航实验2对应航行状态B，…，导航实验8对应航行状态H，航行状态A-H是匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动等运动方式或这几种运动方式的随机组合，航行18h后到达目的地Ⅰ，同样，8组导航实验分别对应8个航行目的地，例如导航实验1对应目的地Ⅰ，导航实验2对应Ⅱ，…，导航实验8对应目的地Ⅶ，目的地Ⅰ-Ⅶ为任意停泊点；
S4：试验船进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验2的初始对准，以导航实验2的初始对准开始时刻作为导航实验2的采样起点，惯性元件数据采集系统2开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第31天结束时刻停止采样；
S5：重复S3-S4直到第8组导航实验的初始对准阶段结束后，试验船进入持续航行状态，航行状态可以选择匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动等运动方式或这几种运动方式的随机组合，直到第8组导航实验进行到第30天时，航行结束：
S5.1：试验船进入航行状态B，航行18h后到达目的地Ⅱ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验3的初始对准。以导航实验3的初始对准开始时刻作为导航实验3的采样起点，惯性元件数据采集系统3开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第32天结束时刻停止采样；
S5.2：试验船进入航行状态C，航行18h后到达目的地Ⅲ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验4的初始对准。以导航实验4的初始对准开始时刻作为导航实验4的采样起点，惯性元件数据采集系统4开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第33天结束时刻停止采样；
S5.3：试验船进入航行状态D，航行18h后到达目的地Ⅳ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验5的初始对准。以导航实验5的初始对准开始时刻作为导航实验5的采样起点，惯性元件数据采集系统5开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第34天结束时刻停止采样；
S5.4：试验船进入航行状态E，航行18h后到达目的地Ⅴ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验6的初始对准。以导航实验6的初始对准开始时刻作为导航实验6的采样起点，惯性元件数据采集系统6开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第35天结束时刻停止采样；
S5.5：试验船进入航行状态F，航行18h后到达目的地Ⅵ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验7的初始对准。以导航实验7的初始对准开始时刻作为导航实验7的采样起点，惯性元件数据采集系统7开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第36天结束时刻停止采样；
S5.6：试验船进入航行状态G，航行18h后到达目的地Ⅶ，试验船开始进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验8的初始对准。以导航实验8的初始对准开始时刻作为导航实验8的采样起点，惯性元件数据采集系统8开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，在第37天结束时刻停止采样；
S5.7：试验船进入航行状态H，航行至第37天结束时刻，实验结束；
S6：使用导航解算计算机分别处理8组导航实验的被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出，基于捷联惯导系统姿态、速度、位置更新算法(具体参见“惯性导航”，科学出版社，2014年，秦永元)计算得出8组导航实验的纯惯性导航姿态、速度和位置信息，将纯惯性导航位置、速度信息与GPS模块输出载体位置、速度信息进行比较，将纯惯性导航姿态信息与惯性/天文组合导航输出的载体姿态信息进行比较，评估惯导系统导航测试结果。

Claims (3)

1.一种激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法，该方法针对由试验船、被测试的激光陀螺旋转调制惯导系统、GPS模块、惯性/天文组合导航模块，惯性元件数据采集系统，导航解算计算机组成的系统；假设导航实验组数为n，每组导航实验所需天数为N，则设置n套惯性元件数据采集系统，每一套惯性元件数据采集系统分别负责采集对应次序的导航实验的原始数据；其特征在于，该方法步骤如下：
S1：将激光陀螺旋转调制惯导系统安装在试验船平台上，启动惯导系统使系统充分预热，启动GPS模块和惯性/天文组合导航模块，按照十六次序双轴转位方案对惯导系统进行旋转调制；
S2：试验船保持停泊状态6h，使被测试惯导系统完成导航实验1的初始对准：包括解析法粗对准和卡尔曼滤波精对准，其中解析法粗对准用时5min，卡尔曼滤波精对准用时5h55min；以初始对准开始时刻作为导航实验1的采样起点，惯性元件数据采集系统1开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的载体位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息；
S3：完成导航实验1的初始对准后，试验船进入航行状态，航行状态选择匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动或这几种运动方式的随机组合，航行18h后到达任意停泊点；
S4：试验船进入停泊状态，停泊状态保持6h，期间按照与S2中相同的初始对准方法完成导航实验2的初始对准，以导航实验2的初始对准开始时刻作为导航实验2的采样起点，惯性元件数据采集系统2开始采集被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的载体位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息，由于此时导航实验1并未结束，这些数据同时由惯性元件数据采集系统1和惯性元件数据采集系统2采集，因此可同时作为导航实验1和导航实验2 的共用数据，包括导航原始数据，即代入导航解算的激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出、GPS模块输出的位置和速度信息、惯性/天文组合导航模块输出的载体姿态信息；
S5：重复S3-S4直到第n组导航实验的初始对准阶段结束后，试验船进入持续航行状态，航行状态选择匀速直线运动，匀加速/匀减速直线运动，圆周运动，不规则曲线运动或这几种运动方式的随机组合，直到第n组导航实验进行到第N天时，航行结束；
S6：使用导航解算计算机分别处理n组导航实验的被测试惯导系统中激光陀螺和加速度计的原始脉冲输出，基于捷联惯导系统姿态、速度、位置更新算法计算得出n组导航实验的纯惯性导航姿态、速度和位置信息，将纯惯性导航位置、速度信息与GPS模块输出载体位置、速度信息进行比较，将纯惯性导航姿态信息与惯性/天文组合导航输出的载体姿态信息进行比较，评估惯导系统导航测试结果。
2.一种根据权利要求1所述激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法，其特征在于：导航实验组数n=8，每组导航实验所需天数N=30。
3.一种根据权利要求1或2所述激光陀螺旋转调制惯导系统的长周期导航测试方法，其特征在于：所述方法适用于激光陀螺惯导系统、光纤陀螺惯导系统、静电陀螺惯导系统的长周期导航测试。
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