[發明專利]一種基于慣性儀器和迭代濾波算法的船體形變角測量方法

有效

• 申請號: 201710141095.2
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106802143B
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發明（設計）人: 秦石喬;馬相路;吳偉;鄭佳興;王省書;黃宗升;戰德軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00;G01C21/16
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 鄭雋

本發明屬于慣性導航中的傳遞對準技術領域，具體涉及一種基于陀螺和加速度計等慣性儀器和迭代濾波算法的船體形變角測量方法。本發明包括以下步驟：第一步，利用卡爾曼濾波方法求形變角的估計值第二步，分析角速度觀測殘差的功率譜；第三步，將角速度觀測殘差和比力觀測殘差作為卡爾曼濾波觀測變量迭代濾波；第四步，通過重復第二步和第三步計算，不斷地對第一步的估計結果進行修正，直到形變角的修正值接近但不等于真值本發明所述方法針對大型艦船速度低，搖擺弱的環境特點，能夠顯著提高垂直方向形變角的測量精度，并且計算量較小，適合在線實時測量。

技術領域

本發明屬于慣性導航中的傳遞對準技術領域，具體涉及一種基于陀螺和加速度計等慣性儀器和迭代濾波算法的船體形變角測量方法。

背景技術

慣性導航需要精確知道運動載體的初始姿態，否則運動載體的定位誤差將隨著距離的增大而急劇增大。對于艦船來說，高精度的主慣性導航系統(以下簡稱主慣導)可以給出精確的姿態信息，其他設備諸如導彈、雷達的子慣性導航系統(以下簡稱子慣導)都將引用主慣導的姿態信息。然而船體并非理想的剛體，由于發動機震動、海浪拍打、晝夜溫度變化等原因，船體將產生形變角，主慣導的姿態與子慣導的姿態并不嚴格相等。因此，船體形變角測量技術成為提高子慣導姿態精度的必要手段。

許多學者圍繞船體形變角測量技術開展了研究，《航天測量船船姿船位測量技術》(北京國防工業出版社，潘良，2009年)介紹了一種光學自準直方法測量船體形變角，該方法有很高的精度，但是量程小，設備體積龐大，只能用于航天測量船這樣特殊的科考船上，對于其他艦船應用受限。

《Kalman filter formulations for transfer alignment of strapdowninertial units》(《Navigation》，A.M.Schnider，1983年第30期)最早引入了捷聯慣導系統測量船體形變角，通過匹配主慣導與子慣導的角速度差值，結合卡爾曼濾波，可以實時估計船體形變角，該方法只利用了捷聯慣導的陀螺，并未利用加速度計，因此估計結果并未達到最優。

《F-16flight tests of a rapid transfer alignment procedure》(刊于《IEEEPLANS會議文集》，Shortelle,K.J.等，1998年)引入了加速度計，通過匹配主慣導與子慣導的速度差和姿態差，結果得到了很高的精度。該方法基于機載平臺進行研究，需要飛機進行大幅度的機動來加速收斂速度并提高收斂精度，因此并不適合艦載平臺運動速度慢、搖擺幅度小的應用場合。

針對大型艦載平臺的運動特點，《Performance enhancement of large-shiptransfer alignment:a moving horizon approach》(《Journal of Navigation》，Yang,D等，2013年)提出了一種滾動時域算法，大幅縮短了船體形變角估計的收斂時間，并改善了收斂精度。但該方法在計算處理的過程中，隨著計算時間的增加，計算量會急劇增大，因此不適合長期在線測量。

發明內容

針對目前大型艦船形變角測量的不足，本發明基于慣性導航系統，充分利用陀螺和加速度計的測量信息，提出了一種迭代濾波算法測量船體形變角，該方法針對大型艦船速度低，搖擺弱的環境特點，能夠顯著提高垂直方向形變角的測量精度，并且計算量較小，適合在線實時測量。

本發明的技術方案大體如下：第一步，利用船上主慣導與子慣導測量到的角速度和比力矢量值，按照角速度矢量和比力矢量的匹配方程，結合卡爾曼濾波方法，求得船體形變角的估計值；第二步，將角速度殘差和比力殘差作為觀測變量，啟動第二路卡爾曼濾波器進行迭代濾波，求得船體形變角估計值的殘差。第三步，利用該殘差可以修正第一次濾波的估計值，得到形變角的修正值，使得形變角的估計精度獲得提升。第四步，重復第二步和第三步，直到形變角的修正值接近但不等于真值。

為了方便描述該方法，首先給出所有符號含義。