[發明專利]一種基于級聯卡爾曼濾波算法的水面艦船水平姿態測量方法

有效

• 申請號: 202011276612.5
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112504275B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 趙玉新;李帥陽;奔粵陽;吳磊;李倩;周廣濤;臧新樂;魏廷梟;溫官昊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16;G01C25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于級聯卡爾曼濾波算法的水面艦船水平姿態測量方法，完成初始對準后，利用實時采集三個軸上陀螺的輸出信號和加速度計的輸出信號進行捷聯慣性導航解算；將GPS給出的位置信息作為量測，利用間接法卡爾曼濾波對實時解算的導航參數進行校正；利用校正的導航參數對運載體機動引起的線加速度和哥氏加速度進行補償；利用互補濾波獲得的陀螺積分誤差作為量測量，再次利用卡爾曼濾波對已經校正過的捷聯慣性導航解算的水平姿態信息進行校正，獲得更高的測量精度。該方法有效利用加速度計的低頻高精度特性，對陀螺儀進行不斷修正，使水平姿態保持較高精度輸出，保證系統在不同運動狀態下具有較高的姿態測量精度，有一定的工程應用價值。

技術領域

本發明涉及以微機電慣性測量單元為核心器件的姿態測量系統，提供的是水面艦船的基于級聯卡爾曼濾波算法的水平姿態測量的方法，屬于導航制導與控制領域。

背景技術

隨著微機電系統技術的發展，低成本MEMS IMU在導航領域有著越來越多的應用，通過利用基于微機電系統的慣性傳感器進行運動參數測量，可以檢測船舶在海中復雜的運動狀態，實時輸出載體的角運動參數和線運動參數，從而實現用戶對水面艦船的運動數據采集。

微機電陀螺儀具有隨機漂移特性，其積分誤差隨時間累積，加速度計不存在累積誤差，但是易受到載體震動影響。常用的將二者數據融合的算法是卡爾曼濾波和互補濾波，例如在專利申請號為201811070907.X，名稱為“基于機動狀態判斷的MEMS慣性導航系統水平姿態自修正方法”的專利文件中，通過比較加速度計輸出和當地重力加速度幅值，將載體運動分為低，中，高動態。在低和中動態時，實時調整量測噪聲矩陣，在高動態時只進行時間更新。但是若載體較長時間處于高動態下，則姿態誤差會越來越大。又如在專利申請號為201911277173.7，名稱為“一種高精度無人機系統及智能控制方法”的專利文件中，基于GPS模塊接受衛星信號的精度因子和速度信息對互補濾波器的截止頻率建立了自適應函數來滿足不同運動狀態下的解算精度。本發明結合互補濾波和級聯卡爾曼濾波器，通過一級卡爾曼濾波得到的導航參數借助比力方程補償載體線加速度和哥氏加速度得到理論加速度計輸出，再與實際加速度計輸出比較得出陀螺漂移修正量，將其作為二級卡爾曼濾波的量測，最后得出最優導航參數。優點是通過二級卡爾曼濾波彌補了互補濾波增益固定且不一定為最優的缺點，以及在不同運動狀態下都能保持水平姿態較高精度輸出，有效的提高了系統姿態測量精度，具有一定的工程應用價值。

發明內容

本發明的目的在于提高水面艦船在機動場景下的姿態測量精度，提供一種基于級聯卡爾曼濾波算法的水平姿態測量的方法，為水面艦船提供準確的水平姿態信息。

本發明的目的是這樣實現的：捷聯慣性導航系統完成初始對準之后，利用實時采集三個軸上陀螺的輸出信號和加速度計的輸出信號f^b進行捷聯慣性導航解算；將GPS給出的位置信息作為量測，利用間接法卡爾曼濾波對實時解算的導航參數進行校正；借助于比力方程，利用校正的導航參數對運載體機動引起的線加速度和哥氏加速度進行補償；利用互補濾波獲得的陀螺積分誤差作為量測量，再次利用卡爾曼濾波對已經校正過的捷聯慣性導航解算的水平姿態信息進行校正，獲得更高的測量精度。具體步驟如下：

步驟1、對捷聯慣性導航系統的慣性測量元件進行充分預熱，并完成初始對準，使之進入導航工作狀態；

步驟2、將GPS給出的位置信息作為量測，利用間接法卡爾曼濾波器對實時解算的導航參數進行校正，獲得校正后的捷聯慣性導航系統的捷聯矩陣速度V₁ⁿ和位置P₁；

步驟3、利用步驟2中校正后的捷聯慣性導航系統的捷聯矩陣速度V₁ⁿ和位置P₁，借助于比力方程對運載體機動引起的線加速度和哥氏加速度進行補償，得到加速度計在導航系(n系，本發明中導航坐標系選取地理坐標系)的理論輸出f₁ⁿ；