專利名稱：適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種船用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)方法，具體地說是一種適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
相對于航天器和飛行器來說，船舶的搖擺、晃動(又稱為“瞬時線運動”)同時存在的運動狀態(tài)是其所特有的一種惡劣的運動狀態(tài)。在瞬時線運動基座條件下，GPS和多普勒計程儀無法提供載體準(zhǔn)確的瞬時線速度信息，導(dǎo)致卡爾曼濾波對準(zhǔn)過程中量測量(即速度信息)不準(zhǔn)確。如果忽略瞬時線運動，會對初始對準(zhǔn)產(chǎn)生很大的影響。
對于搖擺，首先必定會使慣導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生角速度的輸入，會引起數(shù)學(xué)平臺中姿態(tài)矩陣Qb的變化，但(^本身應(yīng)該隨著搖擺一起變化。因此不論載體系怎么搖擺，輸入的角速度只會影響Qb的值，但不會影響(I的準(zhǔn)確性。船舶航行過程中的線運動包括兩部分，一部分是由于船舶機動引起的線運動，另一部分是由于海浪作用引起的船舶瞬時線運動，在船舶航行過程中，由于瞬時線運動的幅度較小，在整個速度的量值中所占的比重很小，故在進(jìn)行卡爾曼濾波對準(zhǔn)的過程中可以將此部分忽略。但是，在系泊狀態(tài)下，由于沒有機動所引起的線運動，船舶始終處于受海浪作用引起的升沉和橫蕩、縱蕩運動，即基本上處于瞬時線運動狀態(tài)。此時，在進(jìn)行卡爾曼濾波對準(zhǔn)的過程中不可以將此部分運動忽略掉。不同海況下對于升沉橫蕩，可看作加速度作用于慣導(dǎo)系統(tǒng)，即系統(tǒng)中引入了加速度，加速度經(jīng)過一次積分得到瞬時速度。對于此種瞬時線運動，目前國內(nèi)還沒有很好的測量方法(多普勒計程儀(DVL) 和GPS在系泊狀態(tài)下測速誤差很大)，進(jìn)而導(dǎo)致在卡爾曼濾波對準(zhǔn)過程中的速度量測量誤差很大，對基于白噪聲誤差模型的卡爾曼濾波方法來說，相當(dāng)于在量 測量中引入了幅值很大的有色噪聲，使得最終的估計結(jié)果發(fā)散。因此在瞬時線運動干擾基座條件下如何提取準(zhǔn)確的瞬時線運動信息成為解決問題的關(guān)鍵所在。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種對準(zhǔn)時間短、環(huán)境適應(yīng)性強、對準(zhǔn)精度高的適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
步驟一在搖擺加晃動干擾基座條件下，實時地同步采集三軸陀螺的角速率信息和三軸加速度計的比力信息；
步驟二 進(jìn)行粗對準(zhǔn)；
步驟三粗對準(zhǔn)結(jié)束后，由慣導(dǎo)輸出的航向、縱搖和橫搖信息，得到載體坐標(biāo)系和半固定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；
步驟四將載體坐標(biāo)系下的加速度信息投影到半固定坐標(biāo)系下的三個軸上，并進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下速度的相關(guān)信息；
步驟五用高通數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行處理，得到相對于舒勒周期的高頻信號，即船舶瞬時線運動速度信號；
步驟六將已提取的船舶瞬時線運動速度信息作為速度基準(zhǔn)，與慣導(dǎo)解算出的速 度相減作差，以所得差值作為卡爾曼濾波的量測量，列寫卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方
步驟七將卡爾曼濾波進(jìn)行離散化，完成對準(zhǔn)。
在搖擺加晃動干擾基座條件下，多普勒計程儀和GPS無法提供準(zhǔn)確的速度信息， 導(dǎo)致以速度誤差為量測量的卡爾曼初始對準(zhǔn)最終不能收斂，為了解決這一問題，本發(fā)明在 完成粗對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，使用基于慣性測量的方法，通過設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字濾波器，將瞬時線運 動信息提取出來，并以此作為速度基準(zhǔn)進(jìn)行量測，完成初始對準(zhǔn)。
本發(fā)明的優(yōu)點主要體現(xiàn)在
一、本發(fā)明所提出的方法和以位置誤差為量測量的卡爾曼濾波方法相比較，由于 速度誤差和姿態(tài)誤差之間的耦合程度比位置誤差和姿態(tài)誤差之間的耦合程度要緊密，因此 對準(zhǔn)時間也比以位置誤差為量測量的對準(zhǔn)方法要短。
二、由于在搖擺和晃動基座下GPS和DVL所測得的速度誤差很大，不能用來作為基 準(zhǔn)，因此和傳統(tǒng)的以速度誤差為量測量的卡爾曼濾波方法相比，此方法的環(huán)境適應(yīng)性更強。
三、由于作為速度基準(zhǔn)的信息更為準(zhǔn)確，和傳統(tǒng)的以速度誤差為量測量的卡爾曼 濾波方法相比，此方法的對準(zhǔn)精度更高。
四、由于作為速度基準(zhǔn)的信息更為準(zhǔn)確，和傳統(tǒng)的以速度誤差為量測量的卡爾曼 濾波方法相比，濾波收斂速度更快，有效的縮短了對準(zhǔn)時間。


圖1為原理框圖2為流程圖3為粗對準(zhǔn)原理圖4為初始對準(zhǔn)的效果圖，其中虛線代表本方法，實線代表傳統(tǒng)的卡爾曼濾波方法。
具體實施方式
下面舉例對本發(fā)明作更詳細(xì)的描述
步驟一在搖擺加晃動干擾基座條件下，實時地同步采集三軸陀螺的角速率信息 和三軸加速度計的比力信息，完成捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的預(yù)熱準(zhǔn)備，時間約為2個小時；
步驟二 針對如何消除干擾加速度，選用相應(yīng)的粗對準(zhǔn)方案，并完成粗對準(zhǔn)；
如何有效地去除由晃動引起的干擾加速度是粗對準(zhǔn)的關(guān)鍵，因為載體的搖擺運動 同樣會導(dǎo)致加速度計所測的比力信息中產(chǎn)生變化的分量，其反映了載體由于正常的搖擺運 動所產(chǎn)生的航向姿態(tài)的變化。因此不能濾掉由于搖擺引起的加速度的變化，即濾波處理不 能在載體坐標(biāo)系中進(jìn)行。為了克服解析式粗對準(zhǔn)的缺陷，保留搖擺產(chǎn)生的加速度變化而只 濾除瞬時線運動干擾加速度，設(shè)計基座慣性系下的粗對準(zhǔn)方法。
此方法應(yīng)用慣性凝固假設(shè)，將比力信息投影到基座慣性坐標(biāo)系中(此時加速度計 的輸出中不含由搖擺運動引起的加速度變化)，得到重力加速度相對于慣性空間隨著地球旋轉(zhuǎn)而引起的方向變化信息，將其積分，正負(fù)干擾加速度被積分掉，求解姿態(tài)矩陣 。
定義一個新的坐標(biāo)系基座慣性坐標(biāo)系iM，它是在h時刻將載體坐標(biāo)系b經(jīng)慣性凝固后得到的，其中h為粗對準(zhǔn)的起始時刻。捷聯(lián)矩陣可表示為
權(quán)利要求
1.一種適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法，其特征是 步驟一在搖擺加晃動干擾基座條件下，實時地同步采集三軸陀螺的角速率信息和三軸加速度計的比力信息； 步驟二 進(jìn)行粗對準(zhǔn)； 步驟三粗對準(zhǔn)結(jié)束后，由慣導(dǎo)輸出的航向、縱搖和橫搖信息，得到載體坐標(biāo)系和半固定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系； 步驟四將載體坐標(biāo)系下的加速度信息投影到半固定坐標(biāo)系下的三個軸上，并進(jìn)行積分，得到半固定坐標(biāo)系下速度的相關(guān)信息； 步驟五用高通數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行處理，得到相對于舒勒周期的高頻信號，即船舶瞬時線運動速度信號； 步驟六將已提取的船舶瞬時線運動速度信息作為速度基準(zhǔn)，與慣導(dǎo)解算出的速度相減作差，以所得差值作為卡爾曼濾波的量測量，列寫卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方程；步驟七將卡爾曼濾波進(jìn)行離散化，完成對準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法，其特征是所述粗對準(zhǔn)是應(yīng)用慣性凝固假設(shè)，將比力信息投影到基座慣性坐標(biāo)系中，得到重力加速度相對于慣性空間隨著地球旋轉(zhuǎn)而引起的方向變化信息，將其積分，正負(fù)干擾加速度被積分掉，求解姿態(tài)矩陣G。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法，其特征是所述卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方程為 I)、狀態(tài)方程 X(I) = A-X(I) + B- ( ) 狀態(tài)向量取為1(0=[死執(zhí)^7ll <pe φ (Pu Vv Vz εχ Sy fij，狀態(tài)向量中對應(yīng)的變量分別為東向速度誤差、北向速度誤差、天向速度誤差，縱搖失準(zhǔn)角、橫搖失準(zhǔn)角、航向失準(zhǔn)角、X軸加速度計零偏、y軸加速度計零偏、z軸加速度計零偏、X軸陀螺漂移、y軸陀螺漂移、z軸陀螺漂移；式中，ax ay az ωχ coy ωζ分別為加速度計和陀螺在載體坐標(biāo)系下的噪聲，是均值為O、方差為Q(t)、呈正態(tài)分布的白噪聲；
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種適用于搖擺晃動基座的初始對準(zhǔn)方法。在搖擺加晃動干擾基座條件下，實時地同步采集三軸陀螺的角速率信息和三軸加速度計的比力信息；進(jìn)行粗對準(zhǔn)；由慣導(dǎo)輸出的航向、縱搖和橫搖信息，得到載體坐標(biāo)系和半固定坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系；將載體坐標(biāo)系下的加速度信息投影到半固定坐標(biāo)系下的三個軸上，并進(jìn)行積分；用高通數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行處理；將已提取的船舶瞬時線運動速度信息作為速度基準(zhǔn)，與慣導(dǎo)解算出的速度相減作差，以所得差值作為卡爾曼濾波的量測量，列寫卡爾曼濾波的狀態(tài)方程和量測方程；將卡爾曼濾波進(jìn)行離散化，完成對準(zhǔn)。本發(fā)明對準(zhǔn)時間比以位置誤差為量測量的對準(zhǔn)方法要短；對準(zhǔn)精度更高；環(huán)境適應(yīng)性更強。
文檔編號G01C21/16GK103017787SQ20121022592
公開日2013年4月3日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者徐博, 高偉, 周廣濤, 奔粵陽, 張鑫, 吳磊, 程建華, 陳世同, 于強, 高洪濤 申請人:哈爾濱工程大學(xué)