CN115201866B - 一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法 - Google Patents

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CN115201866B CN202211126052.4A CN202211126052A CN115201866B CN 115201866 B CN115201866 B CN 115201866B CN 202211126052 A CN202211126052 A CN 202211126052A CN 115201866 B CN115201866 B CN 115201866B
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Abstract

本发明涉及一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，根据惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定；构建了基于伪距和位置信息的惯导及北斗紧耦合空间误差补偿模型；将杆臂引起的经纬度差值转换到直角坐标系，根据补偿模型，采用补偿大地直角坐标补偿杆臂引起的伪距差，进而修正惯导及北斗紧耦合空间误差。本发明通过获取惯导与北斗接收机之间的杆臂距离便可实现紧耦合组合时观测量的补偿和修正，使惯导及北斗紧耦合组合导航具备工程可行性，有效提升了惯导及北斗紧耦合组合导航精度。

Description

一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法
技术领域
本发明属于船用惯导及北斗紧耦合技术领域，尤其是一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国自主研制的高性能导航系统，因其定位精度高，卫星数量多，覆盖范围广，与惯性导航系统互补优势明显，在舰船惯导及北斗组合导航领域应用广泛，其中利用北斗伪距等信息与惯导进行紧耦合，比传统的利用经纬度信息的松耦合具有更好的抗干扰性和灵活性，是我国舰船高精度连续组合导航发展的重要方向，具有重要的军用和民用价值。
但是在惯导及北斗紧耦合方案使用过程中，必须保证空间位置一致性，即卫星提供惯导所处位置的基准信息才能作为惯导组合方案的观测量，否则会影响惯导误差和误差源滤波估计精度。在大型水面舰船，北斗接收机放置位置往往与惯导位置在水平方向相隔几十米甚至百米级，而卫星接收机接收的伪距信息为北斗卫星与北斗接收机之间的实际距离，不是北斗卫星与惯导位置之间的伪距，造成观测误差，影响惯导及北斗紧耦合方案精度。因此在大型水平舰船惯导及北斗紧耦合组合导航时，修正该空间位置误差十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，通过建立伪距差和位置差数学模型，实现惯导及北斗紧耦合方案空间修正，是紧耦合方案在大型水面舰船工程化应用的重要一步。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，包括以下步骤：
步骤1、明确惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定；
步骤2、根据约定构建基于伪距和位置信息的惯导及北斗紧耦合空间误差补偿模型；
步骤3、根据补偿模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。
而且，所述步骤1中惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定包括杆臂长度的约定、方位角的约定和航向角的约定；
杆臂长度约定的具体内容为：以惯导位置为中心，设置惯导位置坐标为
Figure 658476DEST_PATH_IMAGE001
，北斗接收机与惯导的相对位置通过坐标
Figure 450852DEST_PATH_IMAGE002
进行描述，其中，
Figure 322993DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 424679DEST_PATH_IMAGE004
为北斗接收机与惯导之间的杆臂长度，杆臂长度
Figure 647850DEST_PATH_IMAGE005
为北斗接收机在舰船右舷方向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导右方时杆臂长度
Figure 978337DEST_PATH_IMAGE005
为正，杆臂长度
Figure 970564DEST_PATH_IMAGE004
为北斗接收机在舰船艏向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导前方时杆臂长度
Figure 744616DEST_PATH_IMAGE004
为正；
方位角约定的具体内容为：北斗接收机与惯导的相对位置连线长度为杆臂距离，杆臂距离与舰船艏向的夹角为方位角
Figure 189504DEST_PATH_IMAGE006
，顺指针为正，角度范围为
Figure 323682DEST_PATH_IMAGE007
；
航向角约定的具体内容为：北向与舰船艏向的夹角为航向角
Figure 435994DEST_PATH_IMAGE008
，顺时针为正，角度范围为
Figure 505581DEST_PATH_IMAGE007
。
而且，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、计算杆臂距离
Figure 811667DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤2.2、计算方位角
Figure 483957DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤2.3、根据杆臂距离
Figure 450776DEST_PATH_IMAGE009
和方位角
Figure 691264DEST_PATH_IMAGE006
计算杆臂距离引起的两点经度差值
Figure 251689DEST_PATH_IMAGE010
和纬度差值
Figure 603036DEST_PATH_IMAGE011
。
而且，所述步骤2.1的具体实现方法为：
Figure 548996DEST_PATH_IMAGE012
其中，坐标
Figure 960385DEST_PATH_IMAGE013
为北斗接收机与惯导的相对位置。
而且，所述步骤2.2的具体实现方法为：
Figure 241063DEST_PATH_IMAGE014
其中，坐标
Figure 130522DEST_PATH_IMAGE013
为北斗接收机与惯导的相对位置。
而且，所述步骤2.3的具体实现方法为：
Figure 196567DEST_PATH_IMAGE015
Figure 513278DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 782717DEST_PATH_IMAGE017
为杆臂距离，
Figure 475866DEST_PATH_IMAGE018
为航向角，
Figure 661997DEST_PATH_IMAGE019
为方位角，
Figure 415189DEST_PATH_IMAGE020
为惯导纬度，
Figure 664600DEST_PATH_IMAGE021
为地球卯酉面曲率半径，
Figure 895861DEST_PATH_IMAGE022
为地球子午线曲率半径；若
Figure 670919DEST_PATH_IMAGE023
，则
Figure 595013DEST_PATH_IMAGE024
，若
Figure 839043DEST_PATH_IMAGE025
，则
Figure 873995DEST_PATH_IMAGE026
；若
Figure 503560DEST_PATH_IMAGE027
，则
Figure 598555DEST_PATH_IMAGE028
，若
Figure 828417DEST_PATH_IMAGE029
，则
Figure 401480DEST_PATH_IMAGE030
。
而且，所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系；
步骤3.2、构建惯导及北斗紧耦合观测模型，根据转换到直角坐标系的经度差值和纬度差值和观测模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。
而且，所述步骤3.1的具体实现方法为：根据直角坐标和大地坐标之间的转换关系，将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系：
Figure 292076DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 417027DEST_PATH_IMAGE032
为地球第一偏心率；
Figure 760284DEST_PATH_IMAGE021
为地球卯酉面曲率半径；
Figure 277984DEST_PATH_IMAGE020
为惯导纬度；
Figure 757507DEST_PATH_IMAGE033
为惯导经度，
Figure 318938DEST_PATH_IMAGE034
为杆臂距离引起的两点经度差值，
Figure 883911DEST_PATH_IMAGE035
为杆臂距离引起的两点纬度差值，
Figure 172679DEST_PATH_IMAGE036
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系X轴方向的投影，
Figure 772288DEST_PATH_IMAGE037
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Y轴方向的投影，
Figure 504620DEST_PATH_IMAGE038
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Z轴方向的投影。
而且，所述步骤3.2的具体实现方法为：惯导及北斗紧耦合观测模型为：
Figure 556890DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 150814DEST_PATH_IMAGE040
为第
Figure 870508DEST_PATH_IMAGE041
颗卫星和惯导计算的伪距差，矩阵M为惯导及北斗紧耦合观测矩阵，
Figure 508163DEST_PATH_IMAGE042
为第
Figure 313308DEST_PATH_IMAGE041
颗卫星观测噪声，
Figure 209457DEST_PATH_IMAGE043
为接收机钟漂，采用补偿大地直角坐标
Figure 518079DEST_PATH_IMAGE044
的方式，补偿杆臂引起的伪距差
Figure 592214DEST_PATH_IMAGE045
：
Figure 353497DEST_PATH_IMAGE046
而且，
Figure 554802DEST_PATH_IMAGE036
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系X轴方向的投影，
Figure 717930DEST_PATH_IMAGE037
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Y轴方向的投影，
Figure 962967DEST_PATH_IMAGE038
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Z轴方向的投影。
本发明的优点和积极效果是：
本发明根据惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定；构建了基于伪距和位置信息的惯导及北斗紧耦合空间误差补偿模型；将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系，根据补偿模型，采用补偿大地直角坐标补偿杆臂引起的伪距差，进而修正惯导及北斗紧耦合空间误差。本发明通过获取惯导与北斗接收机之间的杆臂距离便可实现紧耦合组合时观测量的补偿和修正，使惯导及北斗紧耦合组合导航具备工程可行性，有效提升了惯导及北斗紧耦合组合导航精度。
附图说明
图1为惯导及北斗紧耦合空间中的方位角
Figure DEST_PATH_IMAGE047
示意图；
图2为惯导及北斗紧耦合空间中的航向角示意图
图3为本发明杆臂距离投影示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，包括以下步骤：
步骤1、明确惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定。
惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定包括杆臂长度的约定、方位角的约定和航向角的约定；
杆臂长度约定的具体内容为：以惯导位置为中心，设置惯导位置坐标为
Figure 211545DEST_PATH_IMAGE048
，北斗接收机与惯导的相对位置通过坐标
Figure 455357DEST_PATH_IMAGE049
进行描述，其中，
Figure 472991DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 154508DEST_PATH_IMAGE051
为北斗接收机与惯导之间的杆臂长度，杆臂长度
Figure 890383DEST_PATH_IMAGE052
为北斗接收机在舰船右舷方向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导右方时杆臂长度
Figure 167912DEST_PATH_IMAGE052
为正。杆臂长度
Figure 571212DEST_PATH_IMAGE051
为北斗接收机在舰船艏向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导前方时杆臂长度
Figure 158051DEST_PATH_IMAGE051
为正；
如图1所示，方位角约定的具体内容为：北斗接收机与惯导的相对位置连线长度为杆臂距离
Figure 381222DEST_PATH_IMAGE053
，杆臂距离与舰船艏向的夹角为方位角
Figure 226556DEST_PATH_IMAGE054
，顺指针为正，角度范围为
Figure 218782DEST_PATH_IMAGE055
；
如图2所示，航向角约定的具体内容为：北向与舰船艏向的夹角为航向角
Figure 976523DEST_PATH_IMAGE056
，顺时针为正，角度范围为
Figure 686990DEST_PATH_IMAGE055
。
步骤2、根据约定构建基于伪距和位置信息的惯导及北斗紧耦合空间误差补偿模型。
步骤2.1、计算杆臂距离
Figure 571900DEST_PATH_IMAGE053
。
Figure 418634DEST_PATH_IMAGE057
步骤2.2、计算方位角
Figure 612855DEST_PATH_IMAGE054
。
Figure 545039DEST_PATH_IMAGE058
步骤2.3、如图3所示，根据杆臂距离
Figure 732175DEST_PATH_IMAGE059
和方位角
Figure 698994DEST_PATH_IMAGE060
计算杆臂距离引起的两点经度差值
Figure 798537DEST_PATH_IMAGE061
和纬度差值
Figure 483596DEST_PATH_IMAGE062
。
Figure 710310DEST_PATH_IMAGE063
Figure 797214DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 802079DEST_PATH_IMAGE065
为惯导纬度，
Figure 974435DEST_PATH_IMAGE066
为地球卯酉面曲率半径，
Figure 237795DEST_PATH_IMAGE067
为地球子午线曲率半径；
若
Figure 179206DEST_PATH_IMAGE068
，则
Figure 761497DEST_PATH_IMAGE069
，若
Figure 280203DEST_PATH_IMAGE070
，则
Figure 973352DEST_PATH_IMAGE071
；
若
Figure 644636DEST_PATH_IMAGE072
，则
Figure 397829DEST_PATH_IMAGE073
，若
Figure 403831DEST_PATH_IMAGE074
，则
Figure 900671DEST_PATH_IMAGE075
。
步骤3、根据补偿模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。
步骤3.1、将杆杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系。根据直角坐标和大地坐标之间的转换关系，将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系：
Figure 942575DEST_PATH_IMAGE076
其中，
Figure 866669DEST_PATH_IMAGE077
为地球第一偏心率；
Figure 359967DEST_PATH_IMAGE066
为地球卯酉面曲率半径；
Figure 394919DEST_PATH_IMAGE065
为惯导纬度；
Figure 775216DEST_PATH_IMAGE078
为惯导经度，
Figure 870211DEST_PATH_IMAGE079
为杆臂距离引起的两点经度差值，
Figure 585226DEST_PATH_IMAGE080
为杆臂距离引起的两点纬度差值，
Figure 423869DEST_PATH_IMAGE081
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系X轴方向的投影，
Figure 422787DEST_PATH_IMAGE082
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Y轴方向的投影，
Figure 688683DEST_PATH_IMAGE083
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Z轴方向的投影。
步骤3.2、构建惯导及北斗紧耦合观测模型，根据转换到直角坐标系的经度差值和纬度差值和观测模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。惯导及北斗紧耦合观测模型为：
Figure 890994DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure 267749DEST_PATH_IMAGE085
为第
Figure 622638DEST_PATH_IMAGE086
颗卫星和惯导计算的伪距差，矩阵M为惯导及北斗紧耦合观测矩阵，
Figure 325015DEST_PATH_IMAGE087
为第
Figure 749043DEST_PATH_IMAGE086
颗卫星观测噪声，
Figure 195068DEST_PATH_IMAGE088
为接收机钟漂，修正惯导及北斗紧耦合空间误差，就是补偿由杆臂距离引起的惯导坐标和北斗接收机输出的伪距计算出的伪距差
Figure 794676DEST_PATH_IMAGE089
，本发明采用补偿大地直角坐标
Figure 776276DEST_PATH_IMAGE090
的方式，补偿杆臂引起的伪距差
Figure 422021DEST_PATH_IMAGE089
：
Figure 671737DEST_PATH_IMAGE091
补偿后的观测模型
Figure 125852DEST_PATH_IMAGE092
用于惯导及北斗紧耦合解决了惯导及北斗紧耦合组合时可能存在的空间不一致问题，通过建立杆臂引起的伪距差补偿模型，实现惯导及北斗紧耦合方案空间一致性，提高了惯导及北斗紧耦合组合导航精度。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、明确惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定；
步骤2、根据约定构建基于伪距和位置信息的惯导及北斗紧耦合空间误差补偿模型；
步骤2.1、计算杆臂距离
Figure 751588DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 292291DEST_PATH_IMAGE004
其中，坐标
Figure 263658DEST_PATH_IMAGE006
为北斗接收机与惯导的相对位置；
步骤2.2、计算方位角
Figure 864403DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure 796587DEST_PATH_IMAGE010
其中，坐标
Figure 140981DEST_PATH_IMAGE006
为北斗接收机与惯导的相对位置；
步骤2.3、根据杆臂距离
Figure 966855DEST_PATH_IMAGE002
和方位角
Figure 4081DEST_PATH_IMAGE008
计算杆臂距离引起的两点经度差值
Figure 954719DEST_PATH_IMAGE012
和纬度差值
Figure 40487DEST_PATH_IMAGE014
；
Figure 658550DEST_PATH_IMAGE016
Figure 928994DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 632508DEST_PATH_IMAGE020
为杆臂距离，
Figure 256387DEST_PATH_IMAGE022
为航向角，
Figure 994536DEST_PATH_IMAGE024
为方位角，
Figure 435882DEST_PATH_IMAGE026
为惯导纬度，
Figure 626692DEST_PATH_IMAGE028
为地球卯酉面曲率半径，
Figure 851000DEST_PATH_IMAGE030
为地球子午线曲率半径；若
Figure 115759DEST_PATH_IMAGE032
，则
Figure 665689DEST_PATH_IMAGE034
，若
Figure 406112DEST_PATH_IMAGE036
，则
Figure 699690DEST_PATH_IMAGE038
；若
Figure 84535DEST_PATH_IMAGE040
，则
Figure 539787DEST_PATH_IMAGE042
，若
Figure 767506DEST_PATH_IMAGE044
，则
Figure 599196DEST_PATH_IMAGE046
；
步骤3、根据补偿模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。
2.根据权利要求1所述的一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，其特征在于：所述步骤1中惯导及北斗紧耦合空间位置补偿算法约定包括杆臂长度的约定、方位角的约定和航向角的约定；
杆臂长度约定的具体内容为：以惯导位置为中心，设置惯导位置坐标为
Figure 900864DEST_PATH_IMAGE048
，北斗接收机与惯导的相对位置通过坐标
Figure 464701DEST_PATH_IMAGE050
进行描述，其中，
Figure 117399DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 815097DEST_PATH_IMAGE054
为北斗接收机与惯导之间的杆臂长度，杆臂长度
Figure 971271DEST_PATH_IMAGE056
为北斗接收机在舰船右舷方向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导右方时杆臂长度
Figure 971588DEST_PATH_IMAGE056
为正，杆臂长度
Figure 846004DEST_PATH_IMAGE054
为北斗接收机在舰船艏向与惯导之间的距离，北斗接收机在惯导前方时杆臂长度
Figure 347392DEST_PATH_IMAGE054
为正；
方位角约定的具体内容为：北斗接收机与惯导的相对位置连线长度为杆臂距离
Figure 623653DEST_PATH_IMAGE058
，杆臂距离与舰船艏向的夹角为方位角
Figure 591609DEST_PATH_IMAGE008
，顺指针为正，角度范围为
Figure 891003DEST_PATH_IMAGE060
；
航向角约定的具体内容为：北向与舰船艏向的夹角为航向角
Figure 868186DEST_PATH_IMAGE062
，顺时针为正，角度范围为
Figure 61270DEST_PATH_IMAGE060
。
3.根据权利要求1所述的一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1、将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系；
步骤3.2、构建惯导及北斗紧耦合观测模型，根据转换到直角坐标系的经度差值和纬度差值和观测模型修正惯导及北斗紧耦合空间误差。
4.根据权利要求3所述的一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，其特征在于：所述步骤3.1的具体实现方法为：根据直角坐标和大地坐标之间的转换关系，将杆臂距离引起的两点经度差值和纬度差值转换到直角坐标系：
Figure 465707DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 49135DEST_PATH_IMAGE066
为地球第一偏心率；
Figure 502113DEST_PATH_IMAGE028
为地球卯酉面曲率半径；
Figure 752966DEST_PATH_IMAGE026
为惯导纬度；
Figure 390620DEST_PATH_IMAGE068
为惯导经度，
Figure 726924DEST_PATH_IMAGE070
为杆臂距离引起的两点经度差值，
Figure 983593DEST_PATH_IMAGE072
为杆臂距离引起的两点纬度差值，
Figure 823373DEST_PATH_IMAGE074
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系X轴方向的投影，
Figure 569612DEST_PATH_IMAGE076
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Y轴方向的投影，
Figure 189949DEST_PATH_IMAGE078
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Z轴方向的投影。
5.根据权利要求3所述的一种大型水面舰船惯导及北斗紧耦合方案空间修正方法，其特征在于：所述步骤3.2的具体实现方法为：惯导及北斗紧耦合观测模型为：
Figure 312626DEST_PATH_IMAGE080
其中，
Figure 210175DEST_PATH_IMAGE082
为第
Figure 127315DEST_PATH_IMAGE084
颗卫星和惯导计算的伪距差，矩阵M为惯导及北斗紧耦合观测矩阵，
Figure 500528DEST_PATH_IMAGE086
为第
Figure 161316DEST_PATH_IMAGE084
颗卫星观测噪声，
Figure 913372DEST_PATH_IMAGE088
为接收机钟漂，采用补偿大地直角坐标
Figure 1413DEST_PATH_IMAGE090
的方式，补偿杆臂引起的伪距差
Figure 534026DEST_PATH_IMAGE092
：
Figure 60822DEST_PATH_IMAGE094
而且，
Figure 729701DEST_PATH_IMAGE074
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系X轴方向的投影，
Figure 191906DEST_PATH_IMAGE076
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Y轴方向的投影，
Figure 211815DEST_PATH_IMAGE078
为北斗接收机距离惯导位置的杆臂长度在直角坐标系Z轴方向的投影。
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