[發明專利]基于交互式多模型濾波的船體變形角估計方法

在審

• 申請號: 201710185998.0
• 申請日: 2017-03-27
• 公開（公告）號: CN107036595A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 徐博;段騰輝;王藝菲;王超;郝芮;但劍輝;王星;李盛新;劉德政;王光園
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及船舶船體變形領域，設計了一種基于交互式多模型濾波的船體變形角估計方法。

背景技術

隨著科學技術的進步，現代船舶和船載設備都在朝著高精度、高自動化的方向快速發展，現代船舶都會安裝有各種導航設備和攻防設備，包括各種雷達、光學觀瞄設備、跟蹤測量設備、導彈發射架等。為保證設備的正常運行，需要建立一個統一的空間姿態基準。但是，船舶并不是一個絕對剛體，在海上航行時，由于船體變形角，空間姿態基準的精度受到嚴重制約。因此精確估計船體變形角對于船舶以及船載設備都有著重要意義，具有廣闊的應用前景。

估計船體變形角時，對于變形角模型的建立提出了較高要求，但由于在實際航行中，變形角模型參數的不確定最終會影響估計精度。因此在模型不確定的情況下，精確估計船體變形角是值得深入研究的課題。針對結構和參數不確定或者變化，多模型估計是一種非常有效的自適應估計方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠在變形角參數不確定的情況下仍能準確估計船體變形角的基于交互式多模型濾波估計船體變形的慣性測量方法。

本發明的目的是這樣實現的，一種基于交互式多模型濾波的船體變形角估計方法，包括如下步驟：

步驟一：在船艏、船艉分別安裝一套船體導航裝置，即主慣導與子慣導，對兩套慣導建立考慮撓曲變形的基本濾波模型；

所述基本濾波模型的系統狀態向量為

式中，δV表示主慣導與子慣導系統速度誤差，表示主慣導與子慣導系統姿態誤差，▽和ε分別表示加速度計零偏和陀螺漂移，ξ表示主慣導與子慣導之間的安裝誤差角，θ表示撓曲變形角，表示撓曲變形角速率。

濾波模型為

式中，w為系統噪聲矩陣，w～N(0,Q)，Q為w的方差；v為量測方差矩陣，v～N(0,R_v)，R_v為v的方差。其中，F和G分別為：

其中，

I表示單位陣。

其中，V_x，V_y分別表示主慣導東向、北向速度，ω_ie表示地球自轉角速率，表示當地緯度，R表示地球半徑，表示子慣導姿態矩陣，上標n表示導航坐標系，下標s子慣導載體坐標系，f_x，f_y，f_z分別表示沿東北天方向的比力，β＝[β_x β_y β_z]，且β_x，β_y，β_z分別表示東北天方向的撓曲變形參數。

步驟二：，按照撓曲變形參數的不確定性，利用基本濾波模型構建交互模型；

所述的交互模型為：其中，分別由將中的β替代為β₁,β₂,...,β_n得到。

其中，

其中，β₁,β₂,...,β_n為撓曲變形參數向量；c₁,c₂,...,c_n為交互模型常值參數；n為所設置交互模型個數。

步驟三：主慣導與子慣導系統完成初始對準并進行慣導解算，實時采集兩套慣導系輸出的慣性器件測量數據、導航解算數據；對交互模型濾波器進行初始化；

步驟四：進行交互模型濾波器的解算，得到船體變形角估計結果。

(1)首先，輸入交互：

其中：為第j個交互模型濾波器的輸入，用于k時刻解算；為第i個交互模型濾波器在k-1時刻的狀態估計值；為第j個交互模型濾波器的協方差輸入，用于k時刻解算；為第i個交互模型濾波器在k-1時刻的協方差。j＝1,2,…,n；i＝1,2,…,n。

為k-1時刻第i個交互模型濾波器估計結果到k時刻第j個交互模型濾波器輸入的轉移概率；其中為第j個交互模型預測概率，為k-1時刻第i個模型的概率；p_ij為概率轉移矩陣P的元素，n為所設置交互模型個數。

(2)各個交互模型濾波器進行濾波解算，再經交互輸出，得到總的估計結果；且保存各個交互模型濾波器的濾波解算結果，用于下一時刻輸入交互；

所述交互輸出的表達式為

總的狀態估計計算: