專利名稱：一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的艦船變形測量方法，特別涉及一種基于光纖陀螺的艦船甲板靜態(tài)變形測量技術。
背景技術：
慣性導航利用慣性元件測量載體的運動線加速度和角速度，以此推算出載體相對于地球的速度和位置，以及載體的姿態(tài)等信息。捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)省略了精密的穩(wěn)定平臺和控制機構，使系統(tǒng)的設計極大簡化，成本大幅度降低，與平臺慣導相比具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，便于維護等優(yōu)點，因此得到越來越廣泛的應用，美國軍用慣性導航系統(tǒng)在1994年捷聯(lián)式就占到了90％。
在實際情況中，艦船受使用壽命、波浪沖擊、陽光照射、轉舵操作、船體載荷等許多因素的影響，都會引起艦船甲板變形，艦船甲板的變形會對艦船上各局部慣導設備的快速初始對準產生不可忽視的影響。甲板變形通常包括動態(tài)變形和靜態(tài)變形。其中艦船的甲板靜態(tài)角度變形主要受到艦船的使用壽命過長、所載貨物、燃料變化和日曬等因素的影響。靜態(tài)角度并不是始終不變，只是角度變化的周期比較長，在較短的對準時間內認為是不變的，根據相關的艦船在海上的量測報告，以及在不同海情海上試驗所測得的實驗數據表明，一天之中的變形量可達到1°～1.5°。因此，如何對基于光纖陀螺的艦船甲板靜態(tài)變形進行測量具有重要意義。
對準過程存在著快速性與準確性之間的矛盾，為了解決對準過程的穩(wěn)、快、準的協(xié)調問題，考慮充分利用艦船主慣導的導航信息與艦載裝備的慣性組件的輸出信息，進行傳遞對準，可以大大減少對準時間并獲得很好的對準精度，而甲板變形角嚴重影響快速傳遞對準的效果。傳統(tǒng)的利用光學校準儀器校準變形角的方法需要提供價格昂貴的儀器，同時需要鋪設校準用的光路，在大型艦船上不具有實用性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效的對于艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的主要包含以下步驟 (1)通過機械和光學儀器的安裝校準，使當地甲板局部慣導的姿態(tài)與中心慣導保持一致，艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)預熱啟動并開始初始對準； (2)艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準完畢后進入導航狀態(tài)，中心慣導系統(tǒng)通過自身的解算，得到解算后的姿態(tài)、位置、速度信息； (3)當地甲板艦載裝備的慣導設備預熱啟動，甲板艦載裝備的光纖陀螺和石英加速度計開始采集比力和角速度信息，并將采集到的信息通過電纜傳輸到自身的導航解算單元，同時通過傳輸電纜將中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)解算出的信息傳輸到當地甲板艦載裝備的導航解算單元； (4)當地甲板艦載裝備的導航解算單元接收存儲艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的導航數據，利用姿態(tài)數據信息建立計算艦載裝備慣導的載體坐標系

和導航坐標系n之間的轉換矩陣，即初始捷聯(lián)矩陣

，且以動態(tài)變形角為對象； (5)建立以兩套慣導系統(tǒng)失準角誤差和當地甲板靜態(tài)變形角誤差為狀態(tài)變量的卡爾曼濾波狀態(tài)方程，以兩者姿態(tài)差為量測量的量測方程，通過卡爾曼濾波估計出甲板靜態(tài)變形角。
所述卡爾曼濾波狀態(tài)方程為
其中

為兩套慣導解算的速度差，f為當地甲板局部慣導測得的比力，wie為地球運動的角速度，wen為導航系相對地球系的角速度，φ為

與m系間的夾角，ξ為s與m系間的甲板靜態(tài)變形角，η(t)為動態(tài)變形角速度，ωnm為中心慣導測量的相對導航系的角速度；εs為當地甲板局部慣導陀螺漂移測量誤差。
所述量測方程為 z＝Hx+v(t) 其中量測量z＝[φx φy φy]T，H為量測矩陣，v為量測噪聲陣，φ為

與m系間的夾角。
本發(fā)明利用艦船主慣導的導航信息與艦載裝備的慣性組件輸出信息進行匹配濾波，估測出甲板變形角。在快速對準過程中，本發(fā)明考慮將甲板變形角作為一個狀態(tài)變量，對其進行估計得到變形角，以用于變形補償。本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點(1)直接利用艦船中心慣導系統(tǒng)和局部慣導系統(tǒng)信息，不需要特殊改變安裝結構；(2)可以利用目前研究比較成熟的卡爾曼濾波技術進行濾波估計，采用數字方法，具有很好的可靠性；(3)方法不要求艦船進行勻速直航運動，更具有實用性。
對本發(fā)明的有益效果通過如下方針得以驗證 (1)Matlab仿真 在以下的仿真條件下，對該方法進行仿真實驗 捷聯(lián)慣導系統(tǒng)作不同幅度的三軸搖擺運動。載體以正弦規(guī)律繞艏搖角、縱搖角和橫搖角搖擺，其數學模型為 pitch＝pitchm·sin(ωψ+φψ) roll＝rollm·sin(ωθ+φθ) yaw＝y(tǒng)awm·sin(ωγ+φγ)+yawk 其中pitch，roll，yaw分別表示繞縱搖角、橫搖角和艏搖角的角度變量；pitchm，rollm，yawm分別表示相應的搖擺角度幅值；ωψ，ωθ，ωγ分別表示相應的搖擺角頻率；φψ，φθ，φγ分別表示相應的初相位；而ωi＝2π/Ti，i＝ψ，θ，γ，Ti表示相應的搖擺周期；yawk為初始航向角。
仿真的相關參數 采樣周期0.05s； 平靜海況下pitchm＝1°，rollm＝1.5°，yawm＝1°； 中等海況下pitchm＝5°，rollm＝6°，yawm＝5°； 兩種海況均滿足Tψ＝6s，Tθ＝9s，Tγ＝8s，yawk＝30°； 載體初始位置北緯45.7796°，東經126.6705°； 甲板靜態(tài)變形角橫向誤差角1°，縱向誤差角1°，航向誤差角1.5°； 赤道半徑R＝6378393.0m； 橢球度e＝3.367e-3； 地球表面重力加速度g0＝9.78049； 地球自轉角速度(弧度/秒)7.2921158e-5； 陀螺儀常值漂移0.01度/小時； 陀螺儀白噪聲誤差0.005度/小時； 加速度計零偏10-4g0； 加速度計白噪聲誤差5×10-5g0 平靜海況下甲板縱向靜態(tài)變形角估計誤差、甲板橫向靜態(tài)變形角和甲板艏向靜態(tài)變形角估計誤差曲線分別如圖1、圖2和圖3所示；中等海況下甲板縱向靜態(tài)變形角誤差、甲板橫向靜態(tài)變形角和甲板艏向靜態(tài)變形角誤差曲線分別如圖4、圖5和圖6所示。
兩種海況下，只是估計過程不同，估計結果幾乎相同，都能夠快速估計出甲板變形角，在實際的艦船運動條件下，本方法不要求勻速直航，只需要進行一定的橫搖、縱搖和艏艉搖運動，對于艦船很容易實現(xiàn)，而且當搖擺幅值適當增大時可以減少變形角估計時間，提高對準精度。采用本發(fā)明的方法可以獲得較高的甲板靜態(tài)變形角估計精度。
(2)光纖陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的三軸轉臺實驗 將自行研制的光纖陀螺捷聯(lián)慣導系統(tǒng)與某高精度的慣導系統(tǒng)固定安裝在一起，之后放在三軸轉臺上進行三軸搖擺實驗，實驗中所用光纖陀螺捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的器件精度和實驗環(huán)境如下 實驗前測出甲板靜態(tài)變形角縱向0.0694°、橫向0.0641°、航向-1.3340°； 陀螺儀常值漂移0.01°/h； 陀螺儀白噪聲誤差0.005°/h； 加速度計零偏10-4g0； 加速度計白噪聲誤差5×10-5g0 轉臺以正弦規(guī)律繞縱搖軸、橫搖軸和航向軸搖擺，其數學模型為 pitch＝pitchm·sin(ωψ+φψ) roll＝rollm·sin(ωθ+φθ) yaw＝y(tǒng)awm·sin(ωγ+φγ)+yawk pitchm＝5°，rollm＝6°，yawm＝5°；，Tψ＝4s，Tθ＝4s，Tγ＝4s 載體真實姿態(tài)ψ＝180°，θ＝0°，γ＝0° 利用發(fā)明所述方法得到在三軸轉臺對準實驗搖擺狀態(tài)基座航向靜態(tài)變形角、縱向基座靜態(tài)變形角和橫向基座靜態(tài)變形角估計曲線分別如圖7、圖8和圖9所示。結果表明在轉臺試驗中該種狀態(tài)下變形角的估計效果可以達到一定的精度。


圖1是平靜海況下甲板縱向靜態(tài)變形角估計誤差曲線； 圖2是平靜海況下甲板橫向靜態(tài)變形角估計誤差曲線； 圖3是平靜海況下甲板航向靜態(tài)變形角估計誤差曲線； 圖4是中等海況下甲板縱向靜態(tài)變形角估計誤差； 圖5是中等海況下甲板橫向靜態(tài)變形角估計誤差； 圖6是中等海況下甲板航向靜態(tài)變形角估計誤差； 圖7是三軸轉臺對準實驗基座縱向靜態(tài)變形角估計曲線； 圖8是三軸轉臺對準實驗基座橫向靜態(tài)變形角估計曲線； 圖9是三軸轉臺對準實驗基座航向靜態(tài)變形角估計曲線。
具體實施例方式 下面舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 (1)通過機械和光學儀器的安裝校準，使當地甲板局部慣導的姿態(tài)與中心慣導保持一致，此時兩套慣導的姿態(tài)差是非常小的小角度，艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)預熱啟動并開始初始對準； (2)艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準完畢后進入導航狀態(tài)，中心慣導系統(tǒng)通過自身的解算，得到解算后的姿態(tài)、位置、速度信息； (3)當地甲板艦載裝備的慣導設備預熱啟動，甲板艦載裝備的光纖陀螺和石英加速度計開始采集比力和角速度信息，并將采集到的信息通過電纜傳輸到自身的導航解算單元，同時通過傳輸電纜將中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)解算出的信息傳輸到當地甲板艦載裝備的導航解算單元； (4)當地甲板艦載裝備的導航解算單元接收存儲艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的導航數據，利用姿態(tài)數據信息建立計算艦載裝備慣導的載體坐標系

和導航坐標系n之間的轉換矩陣，即初始捷聯(lián)矩陣

；由中心慣導復制過來的姿態(tài)信息并不完全當地甲板的真實姿態(tài)，兩者的載體坐標系不是完全一致，此時不考慮由于海浪沖擊等各種因素引起的動態(tài)變形角和桿臂，那么此時需要修正兩套慣導坐標系之間的失準角φ，也就是甲板靜態(tài)變形角ξ與慣導器件誤差等誤差的函數； (5)建立以兩套慣導系統(tǒng)失準角誤差和甲板靜態(tài)變形角誤差為狀態(tài)變量的卡爾曼濾波狀態(tài)方程，以兩者姿態(tài)差為量測量的量測方程，通過卡爾曼濾波將甲板靜態(tài)變形角估計出來 首先給出需要用到的坐標系i表示慣性坐標系，e表示地球坐標系，n表示導航坐標系(當地水平指北地理坐標系)，m表示中心慣導載體坐標系，s表示當地甲板局部慣導載體坐標系，

表示計算的當地甲板局部慣導載體坐標系。
1)甲板靜態(tài)變形角微分方程 局部慣導的姿態(tài)初始化后， 其中ψ，θ，γ分別為中心慣導系統(tǒng)的縱搖角、橫搖角和航向角。
即滿足 初始化時刻φ(0)＝0，初始化之后，以甲板靜態(tài)變形角為研究目標，微分整理可以得到包含甲板靜態(tài)變形角的微分方程 其中φ為

與m系間的夾角，ξ為s與m系間的甲板靜態(tài)變形角，ωnms為中心慣導測量的相對導航系的角速度在當地甲板局部慣導載體坐標系中的投影；εs為當地甲板局部慣導陀螺漂移測量誤差。
2)建立卡爾曼濾波狀態(tài)方程 在研究中設計的濾波器不考慮陀螺儀引起的相對姿態(tài)誤差，通過增加相對姿態(tài)誤差方程中的過程噪聲，以補償未建模的陀螺儀的測量誤差。取系統(tǒng)的狀態(tài)變量為 X＝[δvx δvy φx φy φz ξx ξy ξz]T(3) 其中ξ＝[ξx ξy ξz]T為待估計的實際的甲板靜態(tài)變形角，在濾波過程中認為它是一個常量，即 這里我們以甲板靜態(tài)變形角為研究重點，且認為桿臂已經補償，所以直接給出速度誤差如下 綜合以上各式得到卡爾曼濾波的狀態(tài)方程為
3)建立卡爾曼濾波量測方程 以兩套慣導系統(tǒng)之間的姿態(tài)差作為卡爾曼濾波的量測量， z＝Hx+v(t) 其中量測量z＝[φx φy φz]T，H為量測矩陣，v為量測噪聲陣，φ為

與m系間的夾角。
綜上推導可以得到系統(tǒng)濾波模型的向量形式為 其中


為當地緯度，cij艦載裝備慣導計算載體坐標系到導航坐標系的方向余弦矩陣

的元素。W＝[wvx wvy wφx wφy wφz wξx wξy wξz]T是系統(tǒng)噪聲陣，V＝[wφx wφy wφz]T是量測噪聲陣。
給定相應的初始參數條件，通過卡爾曼濾波可以直接估計出甲板靜態(tài)變形角，用于修正局部慣導系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣。
權利要求
1、一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法，其特征是主要包含以下步驟
(1)通過機械和光學儀器的安裝校準，使當地甲板局部慣導的姿態(tài)與中心慣導保持一致，艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)預熱啟動并開始初始對準；
(2)艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準完畢后進入導航狀態(tài)，中心慣導系統(tǒng)通過自身的解算，得到解算后的姿態(tài)、位置、速度信息；
(3)當地甲板艦載裝備的慣導設備預熱啟動，甲板艦載裝備的光纖陀螺和石英加速度計開始采集比力和角速度信息，并將采集到的信息通過電纜傳輸到自身的導航解算單元，同時通過傳輸電纜將中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)解算出的信息傳輸到當地甲板艦載裝備的導航解算單元；
(4)當地甲板艦載裝備的導航解算單元接收存儲艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的導航數據，利用姿態(tài)數據信息建立計算艦載裝備慣導的載體坐標系；和導航坐標系n之間的轉換矩陣，即初始捷聯(lián)矩陣
(5)建立以兩套慣導系統(tǒng)失準角誤差和當地甲板靜態(tài)變形角誤差為狀態(tài)變量的卡爾曼濾波狀態(tài)方程，以兩者姿態(tài)差為量測量的量測方程，通過卡爾曼濾波估計出甲板靜態(tài)變形角。
2、根據權利要求1所述的一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法，其特征是所述卡爾曼濾波狀態(tài)方程為
其中
為兩套慣導解算的速度差，f為當地甲板局部慣導測得的比力，wie為地球運動的角速度，wen為導航系相對地球系的角速度，φ為
與m系間的夾角，ξ為s與m系間的甲板靜態(tài)變形角，η(t)為動態(tài)變形角速度，ωnm為中心慣導測量的相對導航系的角速度；ε為當地甲板局部慣導陀螺漂移測量誤差。
3、根據權利要求1或2所述的一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法，
其特征是所述量測方程
z＝Hx+v(t)
其中量測量z＝[φxφyφz]T，H為量測矩陣，v為量測噪聲陣，φ為
與m系間的夾角。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種對艦船甲板靜態(tài)變形角進行測量的方法。(1)獲取中心慣導系統(tǒng)輸出姿態(tài)、位置、速度信息；(2)利用艦船中心捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的導航信息，將中心慣導系統(tǒng)的姿態(tài)信息數據復制到當地甲板局部慣導，利用所述姿態(tài)數據數據建立計算當地甲板局部慣導載體坐標系s和導航坐標系n之間的轉換矩陣，即初始捷聯(lián)矩陣Cns；(3)建立以兩套慣導系統(tǒng)失準角誤差和當地甲板靜態(tài)變形角誤差為狀態(tài)變量的卡爾曼濾波狀態(tài)方程，以兩者姿態(tài)差為量測量的量測方程，通過卡爾曼濾波估計出甲板靜態(tài)變形角。本發(fā)明的方法不需要特殊改變安裝結構；具有很好的可靠性；更具有實用性。
文檔編號G01C21/10GK101650186SQ20091007295
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者楓 孫, 呂玉紅, 根 王, 偉 高, 博 徐, 奔粵陽, 鑫 張, 周廣濤, 高洪濤, 磊 吳 申請人:哈爾濱工程大學