專利名稱：晃動(dòng)基座下的艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種海上導(dǎo)航領(lǐng)域的初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，特別涉及的是一種晃動(dòng)基座下的艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)作為一種慣性器件常值誤差的自補(bǔ)償方法，能夠自動(dòng)地對(duì)陀螺常值漂移和加速度計(jì)零位偏置進(jìn)行調(diào)制，從而提高系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航能力，充分發(fā)揮慣性導(dǎo)航的“自主性”優(yōu)勢(shì)。同常規(guī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)有望在相同器件水平下大幅提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低、可靠性高、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，成為航海領(lǐng)域中運(yùn)載體主要的導(dǎo)航方式。在海上軍事領(lǐng)域，特別是水面艦船和艦載飛行器，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間高精度自主定位的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。艦載機(jī)在進(jìn)入導(dǎo)航工作前必須進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，初始對(duì)準(zhǔn)的精度直接影響艦載機(jī)的安全與作戰(zhàn)能力。按照基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可將初始對(duì)準(zhǔn)分為靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)。大量文獻(xiàn)和工程實(shí)踐證明，對(duì)于靜基座下的旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其初始對(duì)準(zhǔn)方法大多采用了傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)方法，即利用慣性傳感器的輸出獲取粗略的初始姿態(tài)陣，再利用Kalman濾波法進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)，無(wú)論在時(shí)間還是精度上，都達(dá)到很好要求。但實(shí)際應(yīng)用中，艦船在航行時(shí)常常受到風(fēng)浪的干 擾而產(chǎn)生搖擺、俯仰和偏航等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，給艦載機(jī)的初始對(duì)準(zhǔn)造成困難，導(dǎo)致陀螺測(cè)量到的地球自轉(zhuǎn)角速度信噪比大幅度下降，傳統(tǒng)解析粗對(duì)準(zhǔn)誤差較大，不滿足精對(duì)準(zhǔn)對(duì)初始姿態(tài)信息的要求。此外，傳統(tǒng)Kalman濾波法在晃動(dòng)基座下由于受到垂蕩、縱蕩、橫蕩等不確定性干擾的影響，造成對(duì)準(zhǔn)精度下降、甚至濾波發(fā)散等問(wèn)題。因此，對(duì)艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，采用常規(guī)的初始對(duì)準(zhǔn)方法，難以達(dá)到快速高精度自主對(duì)準(zhǔn)的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效解決艦載機(jī)在海風(fēng)、浪涌、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等隨機(jī)干擾環(huán)境下自對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題的晃動(dòng)基座下艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明晃動(dòng)基座下艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法，其特征是:(I)通過(guò)全球定位系統(tǒng)GPS獲得載體所在位置的經(jīng)度入、緯度L，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中；(2)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，將標(biāo)定后的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，啟動(dòng)系統(tǒng)，采集慣性測(cè)量單元IMU中光纖陀螺和石英撓性加速度計(jì)的輸出信號(hào)；(3)系統(tǒng)在進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航過(guò)程中，采用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)慣性測(cè)量單元IMU來(lái)進(jìn)行慣性器件常值誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，抑制三個(gè)軸向的陀螺常值漂移和加速度計(jì)零位偏置對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響，組成旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其具體步驟如下:首先，對(duì)晃動(dòng)基座下艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中使用的坐標(biāo)系進(jìn)行定義:I)地球坐標(biāo)系(e系):原點(diǎn)位于地心,oze軸沿地球自轉(zhuǎn)軸方向，OXe軸位于赤道平面內(nèi)，從地心指向載體所在點(diǎn)的子午線，oye軸位于赤道平面內(nèi)，OXe, oye和0%軸滿足右手定則。2)地心慣性坐標(biāo)系(i系):在粗對(duì)準(zhǔn)起始時(shí)刻h將o-xeyeze慣性凝固后形成的坐標(biāo)系。3)導(dǎo)航坐標(biāo)系(η系):本文采用地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于載體重心，οχη軸指向東，oyn軸指向北，οζη軸指向天。4)載體坐標(biāo)系(b系):原點(diǎn)位于載體重心，oxb> oyb和ozb軸分別沿載體橫軸指向右、縱軸指向前，立軸指向上。5)基座慣性坐標(biāo)系(ibci系):在t0時(shí)刻將載體坐標(biāo)系經(jīng)慣性凝固后的坐標(biāo)系。6) IMU坐標(biāo)系(s系):原點(diǎn)位于慣性測(cè)量單元IMU的重心,初始時(shí)刻IMU坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系重合，然后IMU以角速度ω繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。MU坐標(biāo)系是隨著MU位置改變的一個(gè)時(shí)變坐標(biāo)系。慣性測(cè)量單元IMU是由三個(gè)相互正交的光纖陀螺和三個(gè)石英撓性加速度計(jì)構(gòu)成。IMU被裝在一個(gè)雙環(huán)框架中，外環(huán)軸與載體坐標(biāo)系的Ozb軸平行，內(nèi)環(huán)軸位于垂直于外環(huán)軸的平面。MU繞內(nèi)環(huán)軸以角速度 1連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)內(nèi)環(huán)框架和頂U(kuò)—起繞外環(huán)軸以角速度 2連續(xù)旋轉(zhuǎn)(其中，O1是ω2的整數(shù)倍)，頂U(kuò)繞內(nèi)環(huán)軸旋轉(zhuǎn)4周后以相同角速度反向繼續(xù)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。同樣，繞外環(huán)軸的旋轉(zhuǎn)在旋轉(zhuǎn)4周后改變方向，以此不停地進(jìn)行下去；由此得到載體坐標(biāo)系到IMU坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣G為:
權(quán)利要求
1.晃動(dòng)基座下艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法，其特征是: (1)通過(guò)全球定位系統(tǒng)GPS獲得載體所在位置的經(jīng)度\、緯度L，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中； (2)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，將標(biāo)定后的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，啟動(dòng)系統(tǒng)，采集慣性測(cè)量單元IMU中光纖陀螺和石英撓性加速度計(jì)的輸出信號(hào)； (3)系統(tǒng)在進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航過(guò)程中，采用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)慣性測(cè)量單元IMU來(lái)進(jìn)行慣性器件常值誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，抑制三個(gè)軸向的陀螺常值漂移和加速度計(jì)零位偏置對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響，組成旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，其具體步驟如下: 首先，對(duì)晃動(dòng)基座下艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中使用的坐標(biāo)系進(jìn)行定乂: 1)地球坐標(biāo)系(e系):原點(diǎn)位于地心,OZej軸沿地球自轉(zhuǎn)軸方向,oxe軸位于赤道平面內(nèi)，從地心指向載體所在點(diǎn)的子午線，oye軸位于赤道平面內(nèi)，0\、oye和軸滿足右手定則； 2)地心慣性坐標(biāo)系(i系):在粗對(duì)準(zhǔn)起始時(shí)刻t。將O-XfJyf5Zf5慣性凝固后形成的坐標(biāo)系； 3)導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系):本文采用地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于載體重心，oxn軸指向東，oyn軸指向北，ozn軸指向天； 4)載體坐標(biāo)系(b系):原點(diǎn)位于載體重心,oxb、oyb和ozb軸分別沿載體橫軸指向右、縱軸指向前，立軸指向上； 5)基座慣性坐標(biāo)系(ibci系):在t0時(shí)刻將載體坐標(biāo)系經(jīng)慣性凝固后的坐標(biāo)系； 6)IMU坐標(biāo)系(s系):原點(diǎn)位于慣性測(cè)量單元IMU的重心,初始時(shí)刻IMU坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系重合，然后IMU以角速度《繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。MU坐標(biāo)系是隨著MU位置改變的一個(gè)時(shí)變坐標(biāo)系； 慣性測(cè)量單元MU是由三個(gè)相互正交的光纖陀螺和三個(gè)石英撓性加速度計(jì)構(gòu)成。IMU被裝在一個(gè)雙環(huán)框架中，外環(huán)軸與載體坐標(biāo)系的Ozb軸平行，內(nèi)環(huán)軸位于垂直于外環(huán)軸的平面。MU繞內(nèi)環(huán)軸以角速度(^連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)內(nèi)環(huán)框架和MU —起繞外環(huán)軸以角速度GJ2連續(xù)旋轉(zhuǎn)(其中，％是《2的整數(shù)倍)，MU繞內(nèi)環(huán)軸旋轉(zhuǎn)4周后以相同角速度反向繼續(xù)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。同樣，繞外環(huán)軸的旋轉(zhuǎn)在旋轉(zhuǎn)4周后改變方向，以此不停地進(jìn)行下去；由此得到載體坐標(biāo)系到MU坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣G為:
全文摘要
一種晃動(dòng)基座下的艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自對(duì)準(zhǔn)方法,屬導(dǎo)航領(lǐng)域。首先獲得載體所在位置的經(jīng)度、緯度，其次采集慣性測(cè)量單元中光纖陀螺和石英撓性加速度計(jì)的輸出信號(hào)，再采用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)慣性測(cè)量單元IMU對(duì)慣性器件的常值誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，組成旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。然后以慣性坐標(biāo)系下的重力加速度作為參考矢量，計(jì)算出粗初始姿態(tài)陣。再建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測(cè)方程，設(shè)計(jì)漸消自適應(yīng)Kalman濾波器精確估計(jì)載體的失準(zhǔn)角，用失準(zhǔn)角修正捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，完成初始對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)入導(dǎo)航狀態(tài)。本方法隔離了艦船晃動(dòng)對(duì)艦載機(jī)初始對(duì)準(zhǔn)的影響，通過(guò)漸消自適應(yīng)Kalman濾波法估計(jì)系統(tǒng)的初始姿態(tài)陣，抑制了量測(cè)噪聲中動(dòng)態(tài)隨機(jī)干擾，實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)旋轉(zhuǎn)式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)快速自對(duì)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01C25/00GK103245360SQ20131014640
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者裴?？? 朱莉, 劉璇 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)