一種針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法。（1）采集T1時刻組合導航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)q1；（2）漂移補償后的陀螺提供船舶當前時刻角速度ω；（3）根據(jù)角速度求解在T2-T1時間段內的轉角、δq；（4）根據(jù)步驟（1）、（3）信息預測T2時刻星敏感器的姿態(tài)四元數(shù)；（5）根據(jù)預測姿態(tài)，解算T2時刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動角θ、以及預報的星像坐標(x'，y')，解算得到星敏感器的實際輸出q2c；（6）利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgyo與q2c進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出q2并對陀螺誤差進行校正。本方法提高了星敏感器的工作效率，滿足艦船實時搖擺對高輸出頻率的要求，適合艦船長時間航向。
【專利說明】一種針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種針對船舶航行特點的星敏感器動態(tài)補償方法，是一種提高導航設備的工作效率和導航精度的方法。
【背景技術】
[0002]星敏感器以不可毀滅的自然天體作為其導航信標，無需任何先驗信息，只需對拍攝到的星圖先后進行星圖識別、星體質心提取、星圖匹配及姿態(tài)解算等工作過程便可輸出星敏感器坐標系相對于慣性系的姿態(tài)四元數(shù)。星敏感器內部星圖識別和星點提取等工作過程將耗費大量時間，嚴重影響星敏感器的輸出頻率。同時，陀螺存在誤差隨著時間的積累而增大這一缺點，這些對于船舶海上航行長期處于搖擺運動、航行時間長這一特定應用環(huán)境無疑是不適用的。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種工作效率高，可以避免由于船舶搖擺使星點產生像移造成星敏感器輸出精度降低的問題，適合于船舶長時間航向的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005](I)采集T1時刻組合導航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)Q1 ；
[0006](2)漂移補償后的陀螺提供船舶當前時刻角速度ω ；
[0007](3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時間段內的轉角如，進而求得轉動四元數(shù)δ q ；
[0008](4)根據(jù)步驟(I)、(3)信息預測T2時刻星敏感器的姿態(tài)四Tlit/ ；
[0009](5)根據(jù)預測姿態(tài)，解算T2時刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動角Θ、以及預報的星像坐標(X’，y’)，以預報星像坐標為中心的局部范圍內進行星點掃描和質心提取，解算得到星敏感器的實際輸出q2。;
[0010](6)利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出Q2并對陀螺誤差進行校正。
[0011]星敏感器定位中，水平基準一般由平臺慣導系統(tǒng)提供，然而平臺式慣導成本較高，同時體積和質量較大，限制了星敏感器的應用。捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)成本低、抗振動和沖擊的能力強。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣與物理平臺具有相似的物理意義，可以使星敏感器擺脫物理水平基準的限制，從而降低成本和重量。已知10’’的水平基準誤差會導致300m的定位誤差，所以本發(fā)明為提高捷聯(lián)安裝于艦船的星敏感器定位精度，用捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)提供的水平姿態(tài)作為星敏感器定位時的水平基準，故而捷聯(lián)慣導系統(tǒng)輸出的水平姿態(tài)精度將嚴重限制星敏感器的定位精度。由于慣性測量單元誤差隨時間積累，使得慣性導航系統(tǒng)提供的水平精度無法滿足星敏感器的需求和艦船長時間航行對于導航精度的要求。
[0012]解決星敏感器輸出周期長、機動性大、航行時間長等問題成為星敏感器應用于艦船導航的關鍵。本發(fā)明根據(jù)這一背景提出了一種針對艦船長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法。
[0013]本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點:
[0014](I)本方法利用陀螺采集艦船實時角速度，滿足艦船長期處于搖擺狀態(tài)的要求；
[0015](2)通過對下一時刻星敏感器光軸指向的預測，指導星圖掃描、質心提取、星圖匹配等工作過程的快速完成，提高星敏感器輸出頻率；
[0016](3)同時為滿足艦船長航需求，將星敏感器和陀螺解算的姿態(tài)四元數(shù)濾波，對陀螺誤差進行估計和補償，也避免了由于艦船搖擺使得星敏感器輸出精度下降的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1示意性示出了本發(fā)明的原理圖。圖中，^為預測的星敏感器輸出姿態(tài)四元數(shù)；Q2c為星敏感器的實際輸出姿態(tài)四元數(shù)，Qgyo為根據(jù)陀螺采集信息解算的姿態(tài)四元數(shù)。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0019](I)采集T1時刻組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)四元數(shù)q1; T1時刻的姿態(tài)四元數(shù)即為上一個時間周期組合導航濾波修正后輸出的姿態(tài)。
[0020](2)陀螺提供艦船當前時刻角速度ω。由于艦船受風浪等不確定因素影響，艦船長期處于搖擺狀態(tài)，所以由陀螺實時提供艦船的角速度。由于陀螺誤差隨時間積累，本發(fā)明在第(6)步中對陀螺進行誤差校正，滿足艦船長航對導航精度的要求。
[0021](3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時間段內的轉角(￥進而求得轉動四元數(shù)S Q:
[0022]已知由T1到T2時間段內轉角為:
[0023]
【權利要求】
1.一種針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是: (1)采集T1時刻組合導航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)qi； (2)漂移補償后的陀螺提供船舶當前時刻角速度ω； (3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時間段內的轉角<分進而求得轉動四元數(shù)Sq; (4)根據(jù)步驟(1)、(3)信息預測T2時刻星敏感器的姿態(tài)四元數(shù)&; (5)根據(jù)預測姿態(tài)，解算T2時刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動角Θ、以及預報的星像坐標(X’，y’)，以預報星像坐標為中心的局部范圍內進行星點掃描和質心提取，解算得到星敏感器的實際輸出q2。； (6)利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出q2并對陀螺誤差進行校正。
2.根據(jù)權利要求1所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述根據(jù)角速度求解在T2-T1時間段內的轉角δφ，進而求得轉動四元數(shù)δ q具體包括: 已知由T1到T2時間段內轉角為:


3.根據(jù)權利要求1或2所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述預測T2時刻的姿態(tài)四元數(shù)為:
4.根據(jù)權利要求1或2所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是:
5.根據(jù)權利要求3所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是:
6.根據(jù)權利要求1或2所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出Q2并對陀螺誤差進行校正，具體過程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過程為: 陀螺數(shù)據(jù)《I力艦船坐標系相對于慣性坐標系的角速度在艦船坐標系的投影，其反對稱矩陣表示為:
7.根據(jù)權利要求3所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出Q2并對陀螺誤差進行校正，具體過程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過程為: 陀螺數(shù)據(jù) <為艦船坐標系相對于慣性坐標系的角速度在艦船坐標系的投影，其反對稱矩陣表示為:
8.根據(jù)權利要求4所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出q2并對陀螺誤差進行校正，具體過程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過程為: 陀螺數(shù)據(jù)4為艦船坐標系相對于慣性坐標系的角速度在艦船坐標系的投影，其反對稱矩陣表示為:
9.根據(jù)權利要求5所述的針對船舶長航大機動性的星敏感器動態(tài)補償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航的姿態(tài)輸出Q2并對陀螺誤差進行校正，具體過程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過程為:陀螺數(shù)據(jù)必力艦船坐標系相對于慣性坐標系的角速度在艦船坐標系的投影，其反對稱矩陣表示為:
【文檔編號】G01C21/02GK103791903SQ201410047864
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權日:2014年2月11日
【發(fā)明者】高偉, 林萌萌, 姜鑫, 李佳璇, 于濱凱, 趙博, 朱明紅, 孫艷濤, 郝勤順 申請人:哈爾濱工程大學