CN117214933A - 水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航领域,尤其涉及一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，在无阻尼工况下，构建基于惯导/北斗紧耦合组合滤波算法；设计速度平滑修正方法，实现速度显示修正。本发明的优点是通过惯导/北斗紧耦合滤波，在充分发挥北斗三号接收机和北斗伪距信息优势的前提下，设计速度平滑修正方法一方面提高速度精度和稳定性，另一方面解决初始校正阶跃和滤波过程观测中断后恢复的信息连续性问题；设计系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的多种系统误差进行定期修正，特别是设计了平台水平姿态误差的反馈控制修正方法，实现影响惯导速度的水平姿态误差定期修正，显著提高惯导长周期速度精度和稳定性。

Description

水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域,尤其涉及一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法。

背景技术

北斗三号卫星导航系统组网成功后，因其高精度、高可靠性、高抗干扰能力以及广覆盖面等特点在众多领域得到应用。在船用领域，北斗伪距信息除具备上述特点外，较位置信息在组合导航方面有更佳的抗干扰性和更宽松的使用条件，因此利用北斗伪距信息与船用惯导进行紧耦合技术发展十分迅速，也是当今船用惯导连续组合导航的主要趋势之一。

惯导作为基础信源设备，为船舶连续提供各类高精度导航信息，其中惯导输出的速度应用广泛，综合保障作用突出。在传统的组合导航应用中，短期内惯导速度品质变化不明显，但从长期看惯导速度的品质会逐渐降低，存在着不能满足船舶长周期使用要求的风险，因此整体提高长周期惯导速度品质十分必要。

发明内容

本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明专利提供一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，可有效提高水面船舶长周期惯导速度品质。在无阻尼工况下，建立惯导、北斗伪距误差模型，实现惯导/北斗紧耦合滤波算法，设计速度平滑修正方法、系统误差综合校正方法、平台水平姿态误差反馈控制修正方法，从而显著提升惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质。

一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，包括以下步骤：

S1. 在无阻尼工况下，构建基于惯导/北斗紧耦合组合滤波算法：

建立惯导/北斗紧耦合状态方程，并建立惯导/北斗紧耦合观测方程，在惯导/北斗紧耦合状态方程及惯导/北斗紧耦合观测方程的基础上，建立惯导/北斗紧耦合系统滤波算法；

S2.设计速度平滑修正方法，实现速度显示修正：

由S1步骤中的惯导/北斗紧耦合状态方程和惯导/北斗紧耦合观测方程组成惯导/北斗紧耦合卡尔曼滤波器，采用递推算法实时估算状态变量。

进一步的，S2步骤中，递推算法的速度误差采用显示校正方式以提高组合期间速度精度。

进一步的，S2步骤中，所述递推算法采取了平滑过渡修正方法，在设定平滑过渡时间内逐步修正误差。

进一步的，所述平滑过渡修正方法包括定时平滑过渡修正和非定时平滑过渡修正。

进一步的，还包括S3步骤：

S3：通过系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的系统误差定期修正：修正的系统误差包括系统经纬度误差、东北速误差、航向误差和北向、方位陀螺漂移。

进一步的，S3步骤中，根据陀螺漂移滤波估计稳态时长确定每4h校正一次。

进一步的，还包括S4步骤：

S4：通过反馈控制修正方法，对影响惯导速度的平台水平姿态误差定期修正：

采用卡尔曼滤波反馈控制的方法，以持续施矩电流形式施加给陀螺，实现平台的修正，定时修正惯导水平姿态误差。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明设计了一种水面船舶长周期惯导速度品质提升方法，本发明的优点是通过惯导/北斗紧耦合滤波，在充分发挥北斗三号接收机和北斗伪距信息优势的前提下，设计速度平滑修正方法一方面提高速度精度和稳定性，另一方面解决初始校正阶跃和滤波过程观测中断后恢复的信息连续性问题；设计系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的多种系统误差进行定期修正，特别是设计了平台水平姿态误差的反馈控制修正方法，实现影响惯导速度的水平姿态误差定期修正，显著提高惯导长周期速度精度和稳定性。该速度应用于水面船舶使用，会大大提高船舶长周期速度品质，大大提升船舶远洋综合保障能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

请参阅图1所示，本发明在无阻尼工况下，构建基于惯导误差、北斗伪距误差的紧耦合组合滤波算法，设计速度平滑修正方法、系统误差综合校正方法、平台水平姿态误差反馈控制修正方法，实现惯导/北斗紧耦合速度的精度和稳定性长期保持在高水平，提出一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，包括如下步骤：

S1：在无阻尼工况下，构建基于惯导/北斗紧耦合组合滤波算法；

S2：设计速度平滑修正方法，实现速度显示修正。

进一步的：S1包括：

（1）建立惯导/北斗紧耦合状态方程：

根据惯导误差模型和北斗误差模型,建立惯导/北斗紧耦合系统的系统状态方程。

………(1)

式中：

——惯导/北斗紧耦合系统状态变量,/>维矢量,

；

、/>——惯导纬度误差、经度误差；

、/>——惯导东向速度误差、北向速度误差；

、/>、/>——惯导纵摇角误差、横摇角误差、方位角误差；

、/>、/>——惯导东向、北向、方位陀螺漂移；

、/>、/>——惯导东向陀螺、北向陀螺、方位陀螺随机漂移；

——与时钟误差等效的北斗接收机钟偏引起的测距误差；

——与时钟频率误差等效的北斗接收机钟漂误差。

——惯导/北斗紧耦合系统状态矩阵,/>维矢量,矩阵非零元素为，

;

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其余元素为零。

——纬度；

、/>——东向速度、北向速度；

、/>——分别为地球子午圈和卯酉圈的曲率半径；

——载体高度；

——地球自转角速度，/>；

、/>、/>——陀螺随机漂移的相关频率；

--东向加速度；

--北向加速度；

——北斗接收机钟漂误差/>变化的相关时间；

——惯导/北斗紧耦合系统的系统输入矩阵，/>维矢量，/>，

其余元素为零；

——惯导/北斗紧耦合系统的系统噪声，/>的方差强度矩阵/>为/>维系统噪声方差矩阵，

，/>，/>，方差强度矩阵/>的其余元素为零，其中/>、/>、/>为陀螺随机漂移方差，/>为北斗接收机钟漂随机方差。

（2）建立惯导/北斗紧耦合系统观测方程

基于伪距的惯导/北斗紧耦合系统，选择伪距差作为观测量,第j颗卫星的观测方程为,

………(2)

式中：

——基于第j颗卫星计算出的伪距差，/>；其中/>是根据惯导计算坐标（/>，/>，/>）和第j颗卫星坐标（/>，/>，/>）计算的伪距，计算公式为；/>是北斗接收机接收到的惯导与第j颗卫星之间的伪距。

——第/>颗卫星伪距测量噪声，/>的噪声方差矩阵记为/>，/>维矩阵，对角线元素非零，其余元素为零，根据北斗接收机测量精度确定噪声方差矩阵对角线元素取值，本例中，/>,/>；

——第/>颗卫星的/>维观测矩阵，根据惯导计算坐标（/>，/>，/>）和第j颗卫星坐标（/>，/>，/>）按下列公式依次计算得到观测矩阵/>，

其中，为经度，/>为中间变量，无物理含义。

记维矢量/>的三个元素分别为/>、/>、/>，得到观测矩阵

。

（3）建立惯导/北斗紧耦合系统滤波算法

建立惯导/北斗紧耦合系统状态方程（1）和观测方程（2）基础上，首先将状态转移矩阵F和系统噪声方差矩阵Q离散化，

(3)

式中，为k-1到k时刻的状态转移矩阵，/>为/>维单位矩阵，/>为离散化时间间隔，本例中取/>，矩阵右上方角标/>表示矩阵转置运算，叹号/>表示数学上的阶乘运算，/>为离散化系统噪声方差矩阵，/>为中间变量，无物理含义。

根据随机线性离散系统基本Kalman滤波方程依次计算时刻的状态一步预测、状态估计/>、滤波增益矩阵/>、一步预测误差方差阵/>、估计误差方差阵/>，公式分别如下：

式中，

为根据/>时刻状态滤波估计值/>利用状态转移矩阵进行的一步预测；

为一步预测/>的误差方差矩阵；

为/>时刻滤波增益矩阵；

为/>时刻观测噪声矩阵，数值上/>；

为/>时刻计算得到的观测矩阵/>；

为/>时刻系统观测量；

为/>时刻惯导/北斗紧耦合系统状态变量/>的滤波估计值，初值为/>维零矢量，记/>时刻各状态量的滤波估计值分别为

；

——惯导纬度误差估计值、经度误差估计值；

——惯导东向速度误差估计值、北向速度误差估计值；

——惯导纵摇角误差估计值、横摇角误差估计值、方位角误差估计值；

——惯导东向、北向、方位陀螺漂移估计值；

——惯导东向陀螺、北向陀螺、方位陀螺随机漂移估计值；

——与时钟误差等效的北斗接收机钟偏引起的测距误差估计值；

——与时钟频率误差等效的北斗接收机钟漂误差估计值。

为/>时刻滤波估计误差方差阵，初值根据元件精度和系统误差进行设置，本例中/>为/>维矩阵，/>初值的对角线元素非零，非对角线元素为零，具体为

进一步的：S2包括：

由S1步骤中的惯导/北斗紧耦合状态方程和惯导/北斗紧耦合观测方程组成惯导/北斗紧耦合卡尔曼滤波器，采用递推算法实时估算状态变量，其中速度误差采用显示校正方式以提高组合期间速度精度。同时为保证速度稳定性，采取了平滑过渡修正的方法，即在一定平滑过渡时间内逐步修正误差。具体包括定时平滑过渡修正和非定时平滑过渡修正两类。

定时平滑过渡修正是为了避免组合滤波开始阶段惯导系统速度误差偏大影响显示校正后速度稳定性，故在每次组合滤波初期定时进行平滑过渡。

非定时平滑过渡修正是为了防止因外部观测信息的中断、无效或惯导自身状态变量异常导致不定时滤波暂停后，在滤波恢复更新时影响显示校正后速度稳定性，故在组合滤波连续暂停10个滤波周期后任意时刻恢复滤波更新，进行速度平滑过渡修正。

定时平滑过渡修正和非定时平滑过渡修正计算公式相同。本例中以东速误差平滑过渡修正为例说明，平滑过渡时间为20min，解算频率为10Hz，则组合滤波器起始时刻计时器n初值为600，初始时刻东速差显示修正量=0，每0.1s更新东速差显示修正量/>，并完成东速显示修正。平滑过渡显示修正值计算公式为，

………(4)

式中：

——东速显示值修正量；

——上一个解算时刻东速显示值修正量，本例中上一个解算时刻为前推0.1s时刻。

每个解算周期计数器n递减。

显示值修正计算公式为，

…………(5)

式中：

——修正后的东速显示值；

——惯导解算东速。

公式（4）、（5）为东速显示修正公式，也同样适用于北速显示修正。

本例中以东速误差平滑过渡修正为例，平滑过渡时间为20min，解算频率为10Hz，滤波器恢复时刻计时器n初值为600，东速误差显示修正初值为滤波器暂停前0.1s滤波估计值，每0.1s更新东速误差显示修正量，并完成东速的显示修正。

S3：设计系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的多种系统误差定期修正。

S3包括：

由步骤1中的状态方程和观测方程组成惯导/北斗紧耦合卡尔曼滤波器，采用递推算法实时估算状态变量，系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的多种系统误差进行定期修正，以提高长周期惯导水平速度精度和稳定性。修正的系统误差具体包括系统经纬度误差、东北速误差、航向误差和北向、方位陀螺漂移。本例中根据陀螺漂移滤波估计稳态时长确定每4h校正一次。

系统经度、纬度校正公式为：

式中：

——修正后的惯导系统经度；

——惯导系统解算经度；

——修正后的系统纬度；

——惯导系统解算纬度。

速度校正方法为，

式中：

——修正后的惯导系统东速；

——修正后的惯导系统北速；

——惯导系统解算北速；

由于航向误差与东向陀螺漂移耦合不可分离，需要合并校正航向，因此航向校正方法为，

式中：

——修正后的航向；

——惯导解算航向。

陀螺漂移校正方法为仅校正北向和方位陀螺漂移，具体为，

式中：

——修正后的北向陀螺漂移；

——惯导解算北向陀螺漂移；

——修正后的方位陀螺漂移；

——惯导解算方位陀螺漂移。

S4：设计反馈控制修正方法，对影响惯导速度的平台水平姿态误差定期修正。

进一步的：S4包括：

在对除惯导水平姿态以外的系统误差完成修正的情况下，水平姿态误差的修正是解决长周期惯导水平速度精度和稳定性的关键。本发明设计一种反馈控制法修正平台水平姿态误差，即在惯导/北斗紧耦合模式下，采用卡尔曼滤波反馈控制的方法，以持续施矩电流形式施加给陀螺，实现物理实体——平台的修正，定时修正惯导水平姿态误差，有效抑制水平速度误差振荡，从而达到提高长周期惯导水平速度精度和稳定性的目的。

在惯导/北斗紧耦合滤波器状态方程（1）中加入控制量，更新状态方程为：

施矩角速度作为持续的控制量，并且是状态量中姿态角误差/>的变化率，根据施加控制后一步预测状态为零得到/>时刻如下关系式，

则有，

进而得到，

因此，施矩角速度作为持续的控制量，这种连续控制对应系统的参数阵按下式依次计算：

…………(6)

………(7)

………(8)

式中：

为k时刻到k+1时刻的控制矩阵

为施加给水平陀螺的施矩量，是实现水平姿态修正的关键。

本发明设计了一种水面船舶长周期惯导速度品质提升方法，本发明的优点是通过惯导/北斗紧耦合滤波，在充分发挥北斗三号接收机和北斗伪距信息优势的前提下，设计速度平滑修正方法一方面提高速度精度和稳定性，另一方面解决初始校正阶跃和滤波过程观测中断后恢复的信息连续性问题；设计系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的多种系统误差进行定期修正，特别是设计了平台水平姿态误差的反馈控制修正方法，实现影响惯导速度的水平姿态误差定期修正，显著提高惯导长周期速度精度和稳定性。该速度应用于水面船舶使用，会大大提高船舶长周期速度品质，大大提升船舶远洋综合保障能力。

本发明仅涉及惯导软件改动，不涉及惯导系统硬件，可在水面船用惯导系统中广泛应用该方案，具有良好好的工程应用前景，推广价值突出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1. 在无阻尼工况下，构建基于惯导/北斗紧耦合组合滤波算法：

建立惯导/北斗紧耦合状态方程，并建立惯导/北斗紧耦合观测方程，在惯导/北斗紧耦合状态方程及惯导/北斗紧耦合观测方程的基础上，建立惯导/北斗紧耦合系统滤波算法；

S2.设计速度平滑修正方法，完成速度显示修正：

由S1步骤中的惯导/北斗紧耦合状态方程和惯导/北斗紧耦合观测方程组成惯导/北斗紧耦合卡尔曼滤波器，采用递推算法实时估算状态变量。

2.根据权利要求1所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，S2步骤中，递推算法的速度误差采用显示校正方式。

3.根据权利要求2所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，S2步骤中，所述递推算法采取了平滑过渡修正方法，在设定平滑过渡时间内逐步修正误差。

4.根据权利要求3所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，所述平滑过渡修正方法包括定时平滑过渡修正和非定时平滑过渡修正。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，还包括：

S3：通过系统误差综合校正方法，对影响惯导速度的系统误差定期修正：修正的系统误差包括系统经纬度误差、东北速误差、航向误差和北向、方位陀螺漂移。

6.根据权利要求5所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，S3步骤中，根据陀螺漂移滤波估计稳态时长确定每4h校正一次。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种水面船用惯导/北斗紧耦合长周期惯导速度品质提升方法，其特征在于，还包括：

S4：通过反馈控制修正方法，对影响惯导速度的平台水平姿态误差定期修正：

采用卡尔曼滤波反馈控制的方法，以持续施矩电流形式施加给陀螺，实现平台的修正，定时修正惯导水平姿态误差。