[發明專利]一種無外觀測量的調制型捷聯系統組合姿態確定方法

有效

• 申請號: 201210194586.0
• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號: CN102768043A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 孫偉;徐愛功;車莉娜
• 申請（專利權）人: 遼寧工程技術大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種無外觀測量的調制型捷聯系統組合姿態確定方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)通過GPS確定載體的初始位置參數，將它們裝訂至導航計算機中；

(2)調制型捷聯慣導系統進行預熱準備，采集光纖陀螺儀和石英加速度計輸出的數據并對數據進行處理；

(3)IMU采用4個轉停次序為一個旋轉周期的轉位方案(如附圖2)；

次序1，IMU由位置A出發，順時針旋轉180°到位置B，并在位置B停留時間T_s；次序2，IMU由位置B出發，順時針旋轉90°到達位置C，并在位置C停留時間T_s；次序3，IMU由位置C出發，逆時針旋轉180°到位置D，在位置D停留時間T_s；次序4，IMU由位置D出發逆時針旋轉90°回到位置A，并在位置A停留時間T_s；然后按照次序1～4的順序循環運動。

IMU每次轉動180°或90°間隔進行。從一個位置轉動180°到對稱位置，在這兩個相互對稱的位置上，水平方向上慣性敏感元件的常值漂移在進行導航計算的時候能夠相互抵消掉。通過旋轉90°到達另外一個新位置。

(4)將加速度計的輸出轉換到載體半固定坐標系，利用調制型捷聯慣導系統中的積分環節提取載體瞬時線速度信息；

1)引入載體半固定坐標系

以艦船重心為載體半固定坐標系原點，縱軸OY_d指向艦船的主行向方向，橫軸OX_d垂直于縱軸平行于水平面，在艦船無縱搖運動時指向右舷方向。垂直軸OZ_d與前兩軸垂直，沿船只豎軸向上為正(如附圖3)。其中ψ_G為主航向角，γ角為航向搖擺角(即艏搖角定義其與主航向角同向為正)。載體半固定坐標系的引入使得測量結果和角運動基本脫離，可以準確地描述艦船的瞬時線運動，因此采用載體半固定坐標系作為研究艦船瞬時線運動或稱為平動的基礎坐標系。

2)建立慣性測量單元坐標系與載體半固定坐標系的轉換矩陣

首先建立載體坐標系與載體半固定坐標系之間相差三個旋轉角，可視為半固定坐標系經三次旋轉后與載體坐標系重合，三個角度分別為：縱搖角α、橫搖角β及艏搖角γ(如附圖4)。載體坐標系(b系)轉換到載體半固定坐標系(d系)的方向余弦矩陣

Cbd=cosγcosβsinγcosα+cosγsinβsinαsinγsinα-cosγsinβcosα-sinγcosβcosγcosα+sinγsinβsinαcosγsinα-sinγsinβcosαsinβ-cosβsinαcosβcosα]]>

現有的慣性導航系統已經可以提供較為精確的姿態角信息，其中水平兩個姿態角信息即為縱搖角信息和橫搖角信息，而航向信息提供的是航向角信息ψ，這有別于艏搖角γ，但艦船的操縱者可以提供準確的主航向信息ψ_G，可得

γ＝ψ-ψ_G

將γ代入的計算方程中，即可得到載體坐標系轉換到載體半固定坐標系的方向余弦矩陣。

由于慣性測量單元相對載體存在繞方位軸的轉位運動，因此慣性測量坐標系(s坐標系)與載體坐標系之間的轉換矩陣可以利用下式進行計算：

Csb=cosωt-sinωt0sinωtcosωt0001]]>

式中，ωt表示慣性測量單元相對載體坐標系的相對角度關系。因此可以得到慣性測量單元坐標系轉換到載體半固定坐標系的方向余弦矩陣：

Csd=CbdCsb]]>

(5)設計合理的無限沖擊響應數字高通濾波器(IIR)，將導航系下解算出的載體速度進行高通濾波處理；

1)確定所設計數字高通濾波器的技術指標

高通數字濾波器f_p1、f_s1、δ_p、δ_s的技術指標是根據信號特征和采樣頻率f_s給定的。其中，f_p1為通帶截止頻率，f_s1為阻帶截止頻率，δ_p為通帶波紋，即濾波器通帶內偏離單位增益的最大值，通帶邊緣增益為1-δ_p，δ_s為阻帶波紋，即濾波器阻帶內偏離單位增益的最大值，阻帶邊緣處濾波器的增益為δ_s。通帶及阻帶的衰減α_p、α_s分別定義為-20log(1-δ_p)、-20log(1-δ_s)。

舒勒周期振蕩信號相對來說屬于低頻信號，振蕩周期是84.4分鐘。而艦船瞬時線運動是由海洋環境因素引起的，最主要的產生原因是海浪的影響，所以艦船瞬時線運動是頻率與海浪頻率大體一致的往復運動。而且艦船瞬時線運動相對于艦船的航行運動，屬于高頻運動，運動周期比較短，一般在1.5秒～10秒左右，頻率為0.67赫茲。根據升沉橫蕩縱蕩運動和艦船常規工作運動的運動特性上的不同，設計所需要的濾波器的技術指標要求，具體設計指標在試驗過程中根據濾波效果進行調整，以達到最優濾波效果為準。

2)將技術指標從數字濾波器轉換到模擬濾波器

技術指標從模擬濾波器到數字濾波器的變換采用雙線性Z變換法，設計數字高通濾波器的技術指標為f_p1，f_s1，δ_p，δ_s，t_s＝0.0102。首先應得到數字邊緣頻率Ω，因為2π對應采樣頻率f_s，而f_s＝1/t_s，所以有：

fp1fs=Ωp12π]]>

fs1fs=Ωs12π]]>

所以求得：

Ω_s1＝2πf_s1/f_s

Ω_p1＝2πf_p1/f_s

按照雙線性Z變換法的頻率轉換關系ω＝2f_stan(Ω/2)繼續轉換有：

Ωp=tan(ωp2)]]>

Ωs=tan(ωs2)]]>

以此將數字高通濾波器的技術指標就轉換成為模擬高通濾波器的技術指標。

(6)根據調制型捷聯慣導系統動基座誤差方程建立載體系泊狀態時的組合姿態誤差模型，以高通濾波后得到的速度與調制型捷聯慣導系統直接解算出的速度作差后作為系統觀測量。利用卡爾曼濾波技術實現調制型捷聯慣導系統組合姿態的確定；

建立以經過高通濾波后的水平速度與調制型捷聯慣導系統直接解算出的速度作差后作為觀測量的卡爾曼濾波模型；

用一階線性微分方程來描述調制型捷聯慣導系統的狀態誤差：

X·=AX+BW]]>

其中，X為系統的狀態向量；A和B分別為系統的狀態矩陣和噪聲矩陣；W為系統噪聲向量；

系統的狀態向量為：

系統的白噪聲向量為：

W＝[a_x?a_y?ω_x?ω_y?ω_z?0?0?0?0?0]^T

其中δV_e、δV_n分別表示東向、北向的速度誤差；分別為IMU坐標系ox_s、oy_s軸加速度計零偏；ε_x、ε_y、ε_z分別為IMU坐標系ox_s、oy_s、oz_s軸陀螺的常值漂移；a_x、a_y分別為IMU坐標系ox_s、oy_s軸加速度計的白噪聲誤差；ω_x、ω_y、ω_z分別為IMU坐標系ox_s、oy_s、oz_s軸陀螺的白噪聲誤差；

系統的狀態轉移矩陣為：

A=F2×21f2×3T~2×2O2×3F3×22F3×33O3×2T3×3O5×2O5×3O5×2O5×3]]>

F2×21=VNRntanL′2ωiesinL+VERntanL-(2ωiesinL+2VERntanL)0]]>

F3×22=0-1Rm1Rn0tanLRn0]]>

F3×33=0ωiesinL+VEtanLRn-(ωiecosL+VERn)-(ωiesinL+VEtanLRn)0-VNRmωiecosL+VERnVNRm0]]>

f2×3=0-fUfNfU0fE]]>

T~2×2=T11T12T21T22]]>

T3×6=-T11-T12-T13-T21-T22-T23-T31-T32-T33]]>

V_E、V_N分別表示東向、北向的速度；ω_x、ω_y、ω_z分別表示陀螺的三個輸入角速度；ω_ie表示地球自轉角速度；R_m、R_n分別表示地球子午、卯酉曲率半徑；L表示當地緯度；L′表示系泊狀態初始時刻載體緯度信息；f_E、f_N、f_U分別表示為導航坐標系下東向、北向、天向的比力。

2)建立卡爾曼濾波的量測方程：

用一階線性微分方程來描述調制型捷聯慣導系統的量測方程如下：

Z＝HX+V

其中：Z表示系統的量測向量；H表示系統的量測矩陣；V表示系統的量測噪聲；

系統量測矩陣為：

H=10000000000100000000]]>

量測量為調制型捷聯慣導系統解算的東向速度V_E、北向速度V_N分別和經過高通濾波處理得到的東向速度北向速度之差：

Z=VE-V~EVN-V~N]]>