[發明專利]一種基于慣性技術的考慮桿臂效應的艦船升沉誤差補償方法

有效

• 申請號: 201710717244.5
• 申請日: 2017-08-21
• 公開（公告）號: CN109425339B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 張勇剛;高源;徐博;楊柳;郜中星;黃玉龍;王國慶;范穎
• 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

本發明公開一種基于慣性技術的考慮桿臂效應的艦船升沉誤差補償方法，屬于船舶導航技術領域。本發明首先建立艦船研究對象建立載體與地理坐標坐標系，采集傳感器數據；然后計算艦船的橫搖γ縱搖θ和解算加速度；再通過積分運算、數字濾波和再次積分得到補償前的升沉H；其次計算誤差升沉；最后用未補償的升沉Hins減去誤差升沉Hi得到補償后的升沉Hout。在慣性導航系統的基礎上，建立升沉解算誤差補償模型，不僅僅利用捷聯慣導姿態角輸出信息，而且利用了慣性測量元件安裝的桿臂信息。該方法大大降低了慣性測量元件安裝的局限性，從而提高艦船升沉精度，進而提高慣性導航系統的導航精度。

技術領域

本發明涉及一種基于慣性技術的考慮桿臂效應的艦船升沉誤差補償方法，屬于船舶導航技術領域。

背景技術

隨著慣性導航系統(Inertial Navigation System，INS)和慣性測量技術的迅速發展，慣性導航系統在艦船導航中的應用也逐漸深入，且對其導航的精確性和功能性要求也不斷提升。慣導系統所能提供的速度、位置、姿態信息已經不能完全滿足使用者的需求，特別是當海況惡劣且艦船的航行狀態不穩定時，艦船瞬時運動信息的準確提取對艦載武器的對準、艦載飛行器升降控制有十分重要的意義。

艦船在海上航行過程中，會受到海浪和海風等復雜海洋環境因素的激勵，會產生6自由度的搖蕩運動，其中包括6個角運動即縱搖、橫搖和艏搖，以及3個線運動即橫蕩、縱蕩和垂蕩(即升沉)。目前艦升沉通常由艦船上的慣性測量組件實時監測獲得。慣性測量組件核心部件由一個體積很小的捷聯慣性測量單元構成，包括3個加速度計、3個光纖陀螺儀和一個實時處理計算單元。3個加速度計主要用于監測運動物體在3個坐標軸上的軸向線性加速度，艦船升沉解算通常用高通數字濾波器濾除導航系統中舒勒振蕩和加速度計偏值測量誤差的影響，再經過線性加速度二次積分得到垂向位置偏移，進而獲得準確的升沉運動信息。而大多數升沉模型通常把船舶的質心與慣性器件看成一體，把慣性測量組件解算出的升沉當作是船舶質心的升沉。而實際應用中，質心通常無法與取得一致，兩者間的存在桿臂。傳統意義上桿臂效應是指由于慣性組件安裝位置與載體搖擺中心不重合帶來的離心加速度和切向加速度所引起的加速度計測量誤差。而升沉解算需要的加速度信息來自加速度計，這間接地導致慣性測量算出的升沉與船舶質心處的升沉不同。若要解算船舶質心處升沉，則必須慣性測量組件解算出的升沉進行補償歸算。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提供一種基于慣性技術的考慮桿臂效應的艦船升沉誤差補償方法。

本發明的目的是通過以下步驟實現的：

一種基于慣性技術的考慮桿臂效應的艦船升沉誤差補償方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一以船舶質心為原點，建立艦船載體坐標系b系和當地地理坐標系t系；載體坐標系中，x軸指向船首，y軸指向右弦，z軸垂直于x、y軸構成平面向天；慣性導航初始對準后(粗對準與精對準)，利用四元數法計算并實時更新三個姿態角即橫搖γ縱搖θ航向和捷聯矩陣其中是艦船載體坐標系b系與地理坐標系t系的關系矩陣；

步驟二采集加速度計原始數據，解算加速度計敏感的載體坐標系下的三個方向的加速度 f^b，由步驟一的捷聯矩陣和載體坐標系加速度f^b計算地理坐標系下的加速度信息f^t；變換公式如下：

步驟三對步驟二中的加速度f^t信息一次積分，得到速度v_in，其中積分時間為慣導解算采樣時間0.01s；公式為：

其中t-t0＝0.01s，v₀為上一時刻的速度值；

設計并運用巴特沃斯高通數字濾波器，濾除舒勒周期對升沉運動的干擾，提取線運動升沉信息；其中巴特沃斯高通數字濾波器為轉移函數差分方程為：