CN113739806B - 利用参数识别的惯导系统阻尼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用参数识别的惯导系统阻尼方法，在建模阶段，基于载体静止时惯导系统短时间的东向、北向速度误差数据，利用参数识别建模系统进行参数识别，得到速度误差模型；然后在补偿阶段，利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的速度信息进行补偿，得到误差被抑制的速度信息作为参考速度；最后将参考速度作为外阻尼解算系统的外速度进行解算，从而抑制其它导航输出信息中的振荡误差。本发明不需要外部速度源也能实现外阻尼的效果，既不破坏惯导系统的舒拉调谐条件，又抑制了导航输出信息中的振荡误差。

Description

利用参数识别的惯导系统阻尼方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体地指一种利用参数识别的惯导系统阻尼方法。
背景技术
惯性导航系统作为一种自主式导航方式，可以不依赖外部信息实时地输出载体的姿态、速度和位置信息，被广泛应用于航海、航空和航天等领域。惯导系统在陀螺和加速度计的常值误差源作用下，系统误差呈现周期性振荡，且振幅不衰减，处于临界稳定状态。为了抑制惯导系统振荡误差，提高惯导系统的使用精度，通常在系统中加入阻尼校正网络，将系统从临界稳定转变为渐进稳定，振荡误差得到了有效抑制，系统精度得到了提高。但阻尼网络破坏了系统的舒拉调谐条件，载体有加速度时会产生水平误差，并引起其它误差，影响系统的精度。
为了抑制这种误差，一种方法是进行工作方式切换，当载体以恒定速度、航向航行时，惯导系统工作在阻尼状态，而当载体机动时，及时地将惯导切换到无阻尼工作状态。另一种方法是当载体上有其它速度测量设备且精度较高时，可以将其测得的速度提供给惯导系统，对载体加速度引起的误差进行补偿。此时水平误差角与载体的加速度不再相关，只与外速度精度有关，振荡误差得到抑制的同时，加速度对姿态角不再有干扰。
然而在没有外速度或者外速度精度不高的情况下，则无法进行外速度补偿的阻尼。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种利用参数识别的惯导系统阻尼方法，该方法分为两个阶段，在建模阶段，基于载体静止时惯导系统短时间的东向、北向速度误差数据，利用参数识别算法分别建立速度误差模型。在补偿阶段，从无阻尼惯导解算得到的速度信息中扣除模型估计的误差，得到误差被抑制的东向、北向速度，并将其作为外阻尼惯导的外速度进行阻尼导航解算，从而进一步抑制惯导输出姿态、位置信息中的振荡项。
为实现此目的，本发明所设计的利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在静基座条件下，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息在无阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到惯导载体姿态、速度和位置；惯导载体的解算速度包括惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度，在静基座条件下惯导载体东向实际速度和惯导载体的北向实际速度为0，因此惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度即为惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差；
步骤2：分别建立惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)表达式为：
δVE(t)＝k1 sin(ωst+φ1)·cos(ωFt+φ2)+k2 sin(ωiet+φ3)+k3
δVN(t)＝k4 sin(ωst+φ4)·cos(ωFt+φ5)+k5 sin(ωiet+φ6)
其中ωs、ωF、ωie分别为舒拉角频率、傅科角频率和地球角频率，ωF＝ωiesinL，L表示纬度，k1～k5和φ1～φ6为惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)的待求模型参数，t为时间；
步骤3：基于步骤1得到的惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差，在参数识别建模系统中采用参数寻优算法，分别对步骤2中的惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)进行参数识别，从而确定待求模型参数k1～k5和φ1～φ6，确定了待求模型参数k1～k5和φ1～φ6后即可得到惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)；
步骤4：利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度进行实时补偿，得到误差被抑制的载体东向速度和载体北向速度，作为载体东向参考速度和载体北向参考速度；
步骤5：根据外速度补偿的阻尼惯导解算方法，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息以及载体东向参考速度和载体北向参考速度在外阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到振荡误差被抑制的惯导载体姿态和位置。
步骤6：将误差被抑制的惯导载体姿态(包括横摇、纵摇、航向)、速度(包括东向速度、北向速度)和位置(包括经度、纬度)传送到显示平台进行显示。
本发明利用参数识别算法得到惯导速度误差模型，从无阻尼解算得到的速度信息中扣除模型估计的误差，得到误差被抑制的速度信息(东向速度误差中的常值分量也同时扣除)，将其作为外阻尼解算中的外速度，从而抑制其他导航输出的振荡误差。本发明的特点和优势在于：
一是导航输出的各项信息中的振荡误差项以及东向速度中的常值误差项都可以得到有效抑制，且模型建立后可用于实时补偿，实现在线阻尼解算；
二是只需要较短时间的无阻尼解算输出即可建立速度误差模型，建立的模型可在一次航行中持续使用；
三是不需要外部速度源也能实现外阻尼的效果，既不破坏舒拉调谐条件，又抑制了振荡误差。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为建模阶段的东向误差及其模型拟合曲线，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标为速度误差(单位：m/s)；
图3为建模阶段的北向误差及其模型拟合曲线，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标为速度误差(单位：m/s)；
图4为补偿阶段的无阻尼解算系统的东向速度和模型给出的东向速度误差，以及补偿后的东向速度，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标为东向速度(单位：m/s)；
图5为补偿阶段的无阻尼解算系统的北向速度和模型给出的北向速度误差，以及补偿后的北向速度，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标为北向速度(单位：m/s)；
图6为补偿阶段无阻尼解算系统得到姿态以及外水平阻尼解算得到的姿态对比，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标分别为纵摇、横摇和航向(单位：°)；
图7为补偿阶段无阻尼解算系统得到位置以及外水平阻尼解算得到的位置对比，横坐标为时间(单位：h)，纵坐标分别为纬度(单位：°N)、经度(单位：°E)。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示一种利用参数识别的惯导系统阻尼方法，本发明首先在建模阶段，静基座条件下，基于无阻尼惯导解算系统得到速度误差，利用参数识别建模系统进行参数识别，得到速度误差模型；然后在补偿阶段，利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的速度信息进行补偿，得到误差被抑制的速度信息作为参考速度；最后将参考速度作为外阻尼解算系统的外速度进行解算，从而抑制其它导航输出信息中的振荡误差。本发明不需要外部速度源也能实现外阻尼的效果，既不破坏惯导系统的舒拉调谐条件，又抑制了导航输出信息中的振荡误差。
具体步骤为：
步骤1：在静基座条件下，根据文献秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,2014中所述的惯性导航系统原理，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息在无阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到惯导载体姿态、速度和位置；惯导载体的解算速度包括惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度，在静基座条件下惯导载体东向实际速度和惯导载体的北向实际速度为0，因此惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度即为惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差；
步骤2：惯导系统在惯性测量元件常值误差源的作用下，惯导载体东向速度误差、惯导载体北向速度误差中包含受傅科周期调制的舒拉周期振荡分量、地球周期振荡分量，东向速度误差中还包含常值分量，分别建立惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)表达式为：
δVE(t)＝k1 sin(ωst+φ1)·cos(ωFt+φ2)+k2 sin(ωiet+φ3)+k3
δVN(t)＝k4 sin(ωst+φ4)·cos(ωFt+φ5)+k5 sin(ωiet+φ6)
其中ωs、ωF、ωie分别为舒拉角频率、傅科角频率和地球角频率，ωF＝ωiesinL，L表示纬度，k1～k5和φ1～φ6为惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)的待求模型参数，t为时间；
步骤3：基于步骤1得到的惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差，在参数识别建模系统中采用参数寻优算法，分别对步骤2中的惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)进行参数识别，从而确定待求模型参数k1～k5和φ1～φ6，确定了待求模型参数k1～k5和φ1～φ6后即可得到惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)；
步骤4：利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度进行实时补偿，得到误差被抑制的载体东向速度和载体北向速度，作为载体东向参考速度和载体北向参考速度；
步骤5：根据文献覃方君，陈永冰，查峰，等.船用惯性导航[M].北京：国防工业出版社，2018中所述的外速度补偿的阻尼惯导解算方法，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息以及载体东向参考速度和载体北向参考速度在外阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到误差被抑制的惯导载体姿态和位置；
步骤6：将误差被抑制的惯导载体姿态(包括横摇、纵摇、航向)、速度(包括东向速度、北向速度)和位置(包括经度、纬度)传送到显示平台进行显示。
上述技术方案中，所述参数寻优算法为最小二乘法，该方法通过最小化误差的平方和寻找数据对应的模型的最佳待求参数。通过曲线拟合工具箱，如MATLAB的CurveFitting Tool可以方便地运用该方法。将步骤1得到的速度误差以及对应的时间作为拟合工具箱的输入，并将函数关系自定义为步骤2中的速度误差模型，运行拟合工具箱后即可得到模型的待求参数。
上述技术方案中，速度误差模型中包含的舒拉振荡项周期Ts＝84.4min，地球振荡项周期Tie＝24h，傅科振荡项周期与纬度L相关，TF＝2π/ωiesinL，虽然地球振荡周期和傅科振荡周期都在24h以上，但本发明只需2～3h(约2个舒拉周期)速度误差数据即可识别待求模型参数，进而建立速度振荡误差，有利于惯导载体，如舰船的快速启动。
上述技术方案的步骤4中，利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度进行补偿的具体方法为无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度分别减去对应时刻的速度误差模型得到的惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差。由于建立的东向速度误差模型中包含了常值分量，因此补偿后的东向速度中常值误差项也得到了抑制。
下面以仿真实例对本发明的方法进行验证。
设置惯性测量元件及惯导仿真参数为：
(1)三轴陀螺常值漂移分别为0.005°/h，0.01°/h和0.003°/h；
(2)三轴加速度计零偏分别为2×10-6m/s2,4×10-6m/s2，1×10-6m/s2；
(3)载体静止，初始经纬度为(45°N,115°E),横摇、纵摇和航向均为0°；
(4)仿真步长为1s，时间为72h。
惯导系统进行3小时无阻尼解算后，得到的东向、北向速度误差，分别利用最小二乘法对模型进行参数识别，得到模型参数如表1所示，拟合曲线如图2～3所示。
表1 PSO算法对速度误差模型参数识别结果
利用得到的速度误差模型对后续无阻尼解算得到的速度信息进行误差补偿，补偿结果如图4～5所示，利用补偿后的速度信息进行外水平阻尼解算，从而抑制其它导航输出(姿态、位置)的振荡误差，如图6～7所示。
从图4～5可以看出，东向、北向速度误差模型精度较高，无阻尼惯导输出的速度项中受傅科周期调制的舒拉周期振荡误差、地球周期振荡误差以及东向速度中的常值误差均在模型补偿下，得到了很好的抑制。
从图6～7可以看出，将补偿后的速度信息作为外水平阻尼惯导的外速度进行导航解算可以有效抑制姿态、位置等各项导航输出中受傅科周期调制的舒拉周期振荡误差。由于没有进行方位阻尼，因此地球周期振荡误差没有得到抑制，但可以采用类似方法将其抑制，只需将补偿阶段的外阻尼解算改为外全阻尼解算即可。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在静基座条件下，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息在无阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到惯导载体姿态、速度和位置；惯导载体的解算速度包括惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度，在静基座条件下惯导载体东向实际速度和惯导载体的北向实际速度为0，因此惯导载体的东向解算速度和惯导载体的北向解算速度即为惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差；
步骤2：分别建立惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)表达式为：
δVE(t)＝k1sin(ωst+φ1)·cos(ωFt+φ2)+k2sin(ωiet+φ3)+k3
δVN(t)＝k4sin(ωst+φ4)·cos(ωFt+φ5)+k5sin(ωiet+φ6)
其中ωs、ωF、ωie分别为舒拉角频率、傅科角频率和地球角频率，ωF＝ωiesinL，L表示纬度，k1～k5和φ1～φ6为惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)的待求模型参数，t为时间；
步骤3：基于步骤1得到的惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差，在参数识别建模系统中采用参数寻优算法，分别对步骤2中的惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)进行参数识别，从而确定待求模型参数k1～k5和φ1～φ6，确定了待求模型参数k1～k5和φ1～φ6后即可得到惯导载体东向速度误差模型δVE(t)和惯导载体北向速度误差模型δVN(t)；
步骤4：利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度进行实时补偿，得到误差被抑制的载体东向速度和载体北向速度，作为载体东向参考速度和载体北向参考速度；
步骤5：根据外速度补偿的阻尼惯导解算方法，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息以及载体东向参考速度和载体北向参考速度在外阻尼解算系统中进行惯性导航解算，得到振荡误差被抑制的惯导载体姿态和位置。
2.根据权利要求1所述的利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于：它还包括步骤6：将误差被抑制的惯导载体姿态、速度和位置传送到显示平台进行显示。
3.根据权利要求1所述的利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于：所述参数寻优算法为最小二乘法。
4.根据权利要求1所述的利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于：在静基座条件下，利用惯性测量元件输出的惯导载体角速度和惯导载体比力信息在无阻尼解算系统中进行2～3小时的惯性导航解算得到的速度信息即可建立速度误差模型。
5.根据权利要求1所述的利用参数识别的惯导系统阻尼方法，其特征在于：所述步骤4中，利用速度误差模型对无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度进行补偿的具体方法为无阻尼解算系统输出的载体东向速度和载体北向速度分别减去对应时刻的速度误差模型得到的惯导载体东向速度误差和惯导载体北向速度误差。
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