[發(fā)明專利]一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間對準方法

在審

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• 申請日: 2022-09-05
• 公開（公告）號: CN115371681A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王常虹;張亞;范世偉;夏秀瑋;魏健雄;伊國興;夏紅偉
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C25/00
• 代理公司: 北京天奇智新知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11340
• 代理人: 張常勝

本發(fā)明提供了一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間對準方法，屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域里一種信號處理方法。本發(fā)明首先考慮到船舶轉(zhuǎn)艏運動下載體角速率較大，載體角速率超出力反饋式半球諧振陀螺測量范圍的特點，設(shè)計了以微機械陀螺作為輔助設(shè)備的角速率采集算法，最終實現(xiàn)載體角速率信息的重構(gòu)。然后，設(shè)計了借助外部測速信息輔助的速率觀測矢量重構(gòu)方法，構(gòu)建目標函數(shù)。最后將姿態(tài)矩陣求解問題轉(zhuǎn)化為Wahba姿態(tài)確定問題，最終得到載體姿態(tài)矩陣，實現(xiàn)半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對準。本發(fā)明可以在載體行進狀態(tài)下，實現(xiàn)基于力反饋模式半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間的初始對準。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微機械陀螺與多普勒計程儀輔助的半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間對準方法，屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域里一種信號處理方法。

背景技術(shù)

本發(fā)明設(shè)計的是一種微機械陀螺(Micro-electromechanical Systems，MEMS)與多普勒計程儀(Doppler log,DVL)輔助的半球諧振陀螺(Hemispherical resonator gyro,HRG)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間對準方法，更確切地說，是考慮到船舶轉(zhuǎn)艏運動下載體角速率較大，載體角速率超出力反饋式半球諧振陀螺測量范圍的特點，設(shè)計了以微機械陀螺作為輔助設(shè)備的角速率采集算法，最終實現(xiàn)載體角速率信息的重構(gòu)。然后，設(shè)計了借助外部測速信息輔助的速率觀測矢量重構(gòu)方法，構(gòu)建目標函數(shù)。最后將姿態(tài)矩陣求解問題轉(zhuǎn)化為Wahba姿態(tài)確定問題，最終得到載體姿態(tài)矩陣，實現(xiàn)半球諧振陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對準。本方法屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域里一種信號處理方法，可以在載體行進狀態(tài)下，實現(xiàn)基于力反饋模式HRG捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行進間的初始對準。

半球諧振陀螺儀是一種新型慣導(dǎo)級固體陀螺，它是利用在半球形諧振子上激起的駐波的哥氏效應(yīng)(Coriolis Effect)來測量基座旋轉(zhuǎn)角速度的一種新型振動陀螺儀。由于半球諧振陀螺儀無高速運動部件，不需溫度控制，內(nèi)部功耗小，潛在的失效因素最少，因而具有很高的測量精度，超強的穩(wěn)定性和可靠性，良好的抗沖擊振動性和溫度性能。尤其是它具有長達15年以上的工作壽命，連續(xù)工作15年的可靠度可達0.995?；谏鲜鰞?yōu)勢，由半球諧振陀螺儀構(gòu)建的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將是航海用慣性導(dǎo)航設(shè)備的理想選擇之一。

然而，傳統(tǒng)的激光陀螺、光纖陀螺相比，力反饋模式HRG螺測量范圍較小，雖然海洋運載器大部分的運動處于低角速率運動狀態(tài)，但受不同海況的影響，海洋運載器在系泊狀態(tài)對準過程中可能出現(xiàn)劇烈的搖擺運動，所產(chǎn)生的角速率可能超過力反饋模式HRG測量范圍，全角模式HRG雖然測量范圍較大，但目前技術(shù)不成熟，國內(nèi)產(chǎn)能低，不適于大規(guī)模裝備，且目前測量精度低于力反饋模式HRG。

MEMS陀螺雖然測量精度較低，無法達到HRG對于角速率的測量精度，但角速率測量范圍較大，可以作為當角速率超過HRG器件測量范圍時的角速率測量儀器。因此選用MEMS陀螺作為輔助設(shè)備，實現(xiàn)HRG捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的對準。這將為后續(xù)船舶導(dǎo)航提供有力的保障。

船舶行進狀況下，由于角運動和線運動疊加，引起的角速度遠大于地球自轉(zhuǎn)角速度，加速度計測量信息受到干擾，使得陀螺和加速度計輸出具有較低信噪比，因而無法直接從陀螺以及加速度計輸出信息中提取地球自轉(zhuǎn)角速度矢量和重力矢量，此時傳統(tǒng)解析式靜基座對準方法和搖擺基座對準方法將無法工作。另外，由于羅經(jīng)對準和卡爾曼濾波組合對準方法在應(yīng)用時需要滿足失準角是小角度的條件，因而無法完成搖擺基座任意方位航向角條件下初始對準。

盡管在船舶行進狀態(tài)下無法直接利用地球自轉(zhuǎn)角速度構(gòu)建約束方程，慣性系對準方法轉(zhuǎn)而通過利用兩個或多個時刻慣性系下重力加速度矢量構(gòu)建相應(yīng)約束關(guān)系，進而確定姿態(tài)變換矩陣，因此被廣泛用于搖擺基座初始對準。本質(zhì)上，基于速度積分形式的多矢量慣性系對準方法屬于最小二乘估計范疇，對器件噪聲、外界環(huán)境振動等干擾都具有較好抑制作用。