CN115096304B

CN115096304B - 延时误差修正方法、装置、电子设备和存储介质

Info

Publication number: CN115096304B
Application number: CN202211028914.XA
Authority: CN
Inventors: 刘建春; 罗巍; 高阳; 艾光彬; 孙伟强
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-08-26
Also published as: CN115096304A

Abstract

本申请公开了一种延时误差修正方法、装置、电子设备和存储介质。具体包括：获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长；根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型；根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值；根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差。本申请实施例的技术方案，根据历史时刻姿态值、延时时长和当前时刻姿态值之间的关系，建立用于计算当前时刻姿态值的模型，从而输出没有延时误差影响的姿态值，提高了姿态值确定的准确度，保证了导航的精度，提高了导航系统的适用性。

Description

延时误差修正方法、装置、电子设备和存储介质

技术领域

本申请涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种延时误差修正方法、装置、电子设备和存储介质。

背景技术

惯性导航系统（简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是通过测量载体在惯性参考系的加速度并进行时域积分，转换至导航坐标系中，就能够得到载体的位姿和导航数据。由于其高度自主性的导航方式，惯导被广泛应用于船舶航海领域中。

当前，船舶中主流的惯导系统采用二频机抖激光陀螺惯导系统，该系统输出的机抖运动信息在进行导航解算时需要先进行低通滤波，低通滤波导致的延时会使最终输出的导航数据也具备相同的延时特性，使得导航数据实时性差，在高精度需求下该导航系统的适应性差。

发明内容

本申请提供了一种延时误差修正方法、装置、电子设备和存储介质，以提高导航数据的实时性和精确度，提高导航系统的适应性。

根据本申请的一方面，提供了一种延时误差修正方法，所述方法包括：

获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长；

根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型；

根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值；

根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差。

根据本申请的另一方面，提供了一种延时误差修正装置，包括：

参数获取模块，用于获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长；

模型构建模块，用于根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型；

姿态计算模块，用于根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值；

误差修正模块，用于根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差。

根据本申请的另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本申请任一实施例所述的延时误差修正方法。

根据本申请的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本申请任一实施例所述的延时误差修正方法。

本申请实施例的技术方案，根据历史时刻姿态值、延时时长和当前时刻姿态值之间的关系，建立用于计算当前时刻姿态值的模型，从而输出没有延时误差影响的姿态值，提高了姿态值确定的准确度，保证了导航的精度，提高了导航系统的适用性。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本申请的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例一提供的一种延时误差修正方法的流程图；

图2是根据本申请实施例二提供的一种延时误差修正装置的结构示意图；

图3是实现本申请实施例的延时误差修正方法的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

图1为本申请实施例一提供了一种延时误差修正方法的流程图，本实施例可适用于船舶的惯导系统对延时误差的修正情况，该方法可以由一种延时误差修正装置来执行，该延时误差修正装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，可配置电子设备中。如图1所示，该方法包括：

S110、获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长。

其中，载体可以是装载了惯导系统的船舶、飞机或车辆等载具。历史时刻是载体运动过程中当前时刻之前的某一时刻。姿态值可以是用于买哦描述或表征载体的姿态的数据，例如可以包括但不限于姿态角（航向角、横滚角和俯仰角）等。那么，历史姿态值可以是历史时刻记录的描述载体姿态的数据。惯导系统的延时时长可以是惯导系统在直接输出载体姿态值上的延时。需要说明的是，二频激斗系统的激光陀螺仪为了客服陀螺仪死区问题，直接输出的角增量信号中包含有大量的机抖运动信息，在进行惯性导航解算前需要首先进行低通滤波。低通滤波器的延时与滤波器的阶数成正比，与采样频率成反比，为保证滤波器的滤波效果同时保证载体运动信号不失真，滤波器的延时一般需要达到数毫秒，甚至十数毫秒。由于低通滤波的延时影响，由二频机抖激光陀螺构成的惯性导航系统所输出导航信息中也存在相同的延时。

S120、根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型。

其中，载体的姿态模型可以是用于描述或表征载体的不同时刻的姿态值之间的关系，该姿态模型可以以一种数学模型的方式进行表示，例如可以通过泰勒展开式进行表达与计算。

在一种可选实施方式中，所述根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型，可以包括：根据惯导系统的预设数据更新频率，确定惯导系统的数据历史更新间隔；根据历史姿态值、延时时长、以及数据历史更新间隔，建立姿态模型。

其中，预设数据更新频率为二频机抖激光陀螺惯导系统的数据更新频率，则数据历史更新间隔即为预设数据更新频率的倒数，也即每相隔多长时间导航数据进行一次更新。

在一种可选实施方式中，所述根据历史姿态值、延时时长，以及数据历史更新间隔，建立姿态模型，可以包括：根据历史姿态值、延时时长、以及数据历史更新间隔，确定历史姿态值和计算姿态值的对应关系；根据对应关系，建立姿态模型。可选的，所述姿态模型可以为二阶泰勒级数模型。

延时时长和数据更新间隔可以通过当前时刻推算某一历史时刻，再根据该历史时刻记录的历史姿态值，建立当前时刻姿态值与历史时刻姿态值之间的对应关系，作为计算当前时刻姿态值的姿态模型。当然，在实际情况中，由于二频机抖激光陀螺惯导系统的滤波器的延时和管道系统数据更新的间隔均为毫秒量级，泰勒级数的展开选择二阶及以上时，即可满足对惯导系统的延时补偿。因此，姿态模型可以使用二阶泰勒级数模型。

S130、根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值。

其中，计算姿态值可以是在姿态模型和历史姿态值的基础上计算而来的当前时刻的姿态值。可选的，所述计算姿态值包括姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值。进一步的，所述根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值，可以包括：根据姿态模型，分别确定姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值。

例如，在前述泰勒展开式中，可以通过历史姿态值（优选的是历史姿态角度值）与当前的姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值之间的泰勒展开，对当前的姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值进行计算。

在一个实际的示例中，由于惯导系统测量得到的姿态值表征的是载体的姿态。载体姿态的变化处处可微，因此可以将用于描述载体姿态的数学表达通过泰勒级数展开的方式进行表示，本申请实施例通过载体的横滚角举例说明（其他的姿态角的表达方式和计算方式相同），例如：

；

其中，在上述数学模型中，t是载体运动过程中的某一时刻，t₀是设定的初始时刻，R(t)是载体运动过程中某一时刻的横滚角，R(t ₀)是初始时刻载体的横滚角，

是初始时刻载体的横滚角速度，

是初始时刻载体的横滚角加速度。o(t-t ₀)是从初始时刻到运动中某一时刻过程中泰勒展开的残差，该残差可以理解为一种计算误差，由于该误差极小，在计算过程中可以忽略不计。

以上述横滚角的举例说明为基础，设二频机抖激光陀螺惯导系统的延时为

，二频机抖激光陀螺惯导系统实时解算得到的为距当前时刻

时间前的历史姿态值。设二频机抖激光陀螺惯导系统的数据更新频率为fs，则系统每经过ts时间更新一次数据，其中，ts =1/fs。

至此，通过将二频机抖激光陀螺惯导系统延时的修正问题转化为已知

、

、

、

、……、

等各时刻的历史姿态值，建立与当前时刻姿态值得姿态模型去求解。

因此，延续前述以管道系统的横滚姿态为例，惯导系统的历史姿态值（历史输出横摇）

可以通过当前时刻载体的计算姿态值（横摇角度值、横摇角速度值和横摇角加速度值）R(t)和其导数来表示，具体姿态模型的公式如下：

；

；

；

……

；由于惯导系统的滤波器的延时

以及惯导系统的数据更新间隔ts均为毫秒量级，泰勒级数选择二阶及以上时即可满足惯导系统的延时补偿。因此，本申请实施例以二阶泰勒展开为例，建立姿态模型，如下：

；

；

；

……

由于历史姿态值已知，根据上述姿态模型中的等式联立，对当前时刻的计算姿态值（包括横滚角度值、横滚角速度值以及横滚角加速度值）进行计算和输出。

S140、根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差。

其中，输出姿态值可以是惯导系统实时输出的姿态值数据。由于惯导系统直接输出的姿态值是具备了延时误差的，所以将前述步骤中计算得到的计算姿态值，对惯导系统的输出姿态值进行修正。在一种可选实施方式中，所述根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差，可以包括：使计算姿态值替代输出姿态值，以修正延时误差。可以理解的是，直接输出的姿态值中包括有延时误差的影响，将计算得到的计算姿态值直接替代输出姿态值用于导航。

实施例二

图2为本申请实施例二提供的一种延时误差修正装置的结构示意图。如图2所示，该装置200包括：

参数获取模块210，用于获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长；

模型构建模块220，用于根据历史姿态值和延时时长，建立载体的姿态模型；

姿态计算模块230，用于根据姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值；

误差修正模块240，用于根据计算姿态值，修正惯导系统的输出姿态值的延时误差。

在一种可选实施方式中，所述模型构建模块220可以包括：

数据更新时刻确定单元，用于根据惯导系统的预设数据更新频率，确定惯导系统的数据历史更新间隔；

模型建立单元，用于模型根据历史姿态值、延时时长、以及数据历史更新间隔，建立姿态模型。

在一种可选实施方式中，所述模型建立单元可以包括：

对应关系确定子单元，用于根据历史姿态值、延时时长、以及数据历史更新间隔，确定历史姿态值和计算姿态值的对应关系；

姿态模型建立单元，用于根据对应关系，建立姿态模型。

在一种可选实施方式中，所述计算姿态值包括姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值。

在一种可选实施方式中，所述姿态计算模块230可以具体用于：

根据姿态模型，分别确定姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值。

在一种可选实施方式中，所述误差修正模块240可以具体用于：

使计算姿态值替代输出姿态值，以修正延时误差。

在一种可选实施方式中，所述姿态模型可以为二阶泰勒级数模型。

本申请实施例所提供的延时误差修正装置可执行本申请任意实施例所提供的延时误差修正方法，具备执行各延时误差修正方法相应的功能模块和有益效果。

实施例三

图3示出了可以用来实施本申请的实施例的电子设备10的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本申请的实现。

如图3所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）12、随机访问存储器（RAM）13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器（ROM）12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器（RAM）13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、ROM 12以及RAM 13通过总线14彼此相连。输入/输出（I/O）接口15也连接至总线14。

电子设备10中的多个部件连接至I/O接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如延时误差修正方法。

在一些实施例中，延时误差修正方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到RAM 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的延时误差修正方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行延时误差修正方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本申请的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本申请的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。

计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本申请中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本申请的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims

1.一种延时误差修正方法，其特征在于，所述方法包括：

获取载体的历史时刻的历史姿态值和惯导系统的延时时长，以及所述惯导系统的预设数据更新频率；并根据所述预设数据更新频率，确定所述惯导系统的数据历史更新间隔；

根据所述历史姿态值、所述延时时长、以及所述数据历史更新间隔，确定所述历史姿态值和当前时刻载体的计算姿态值的对应关系；

根据所述对应关系，建立所述载体的姿态模型；

根据所述姿态模型，确定所述计算姿态值；

根据所述计算姿态值，修正所述惯导系统的输出姿态值的延时误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算姿态值包括姿态角度值、姿态角速度值和姿态角加速度值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值，包括：

根据所述姿态模型，分别确定所述姿态角度值、所述姿态角速度值和所述姿态角加速度值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述计算姿态值，修正所述惯导系统的输出姿态值的延时误差，包括：

使所述计算姿态值替代所述输出姿态值，以修正所述延时误差。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态模型为二阶泰勒级数模型。

6.一种延时误差修正装置，其特征在于，包括：

模型构建模块，用于根据所述历史姿态值和所述延时时长，建立所述载体的姿态模型；

其中，所述模型构建模块包括：数据更新时刻确定单元，用于根据所述惯导系统的预设数据更新频率，确定所述惯导系统的数据历史更新间隔；模型建立单元，用于根据所述历史姿态值、所述延时时长、以及所述数据历史更新间隔，建立所述姿态模型；

其中，所述模型建立单元包括：对应关系确定子单元，用于根据所述历史姿态值、所述延时时长、以及所述数据历史更新间隔，确定所述历史姿态值和当前时刻载体的计算姿态值的对应关系；姿态模型建立子单元，用于根据所述对应关系，建立所述姿态模型；

姿态计算模块，用于根据所述姿态模型，确定当前时刻载体的计算姿态值；

误差修正模块，用于根据所述计算姿态值，修正所述惯导系统的输出姿态值的延时误差。

7.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-5中任一项所述的延时误差修正方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-5中任一项所述的延时误差修正方法。