CN103175528A - 基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法。利用一套惯性测量组件信息，所述的惯性测量组件包括加速度计和陀螺，在导航计算机内运行捷联惯导***、捷联罗经***程序，分别建立捷联惯导***、捷联罗经***数学平台，利用捷联惯导***输出速度和纬度补偿船舶速度、纬度和加速度对于捷联罗经***的影响。本发明的方法不需引入外部速度参***，如电磁计程仪、多普勒计程仪，因此具有成本低、使用方便等优势。

Description

基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种捷联罗经的导航方法。

背景技术

在船舶导航***中，捷联罗经***是提供航向和水平姿态的捷联惯性***。罗经***是一种利用罗经效应原理调整水平姿态、方位角的一种捷联惯性***工作方案。由于罗经效应的存在，那么在方位误差角的作用下，水平误差角会受到额外的影响。罗经***利用此种耦合关系，调整水平姿态、方位角。

为了确保航向和水平姿态不振荡发散，常用的捷联罗经***算法仍然沿用平台罗经原理。罗经方案主要应用在静基座情况下，通过加速度计测得的比力信息，然后经罗经回路，可以计算出修正角速率

然后把计算出来和修正角速率

以及平台对惯性系角速率在机体坐标系上的分量

从惯性器件所测角速率

中补偿掉，最后利用补偿后的角速率就可以进行姿态解算，实时的输出载体的姿态信息。

但是在动基座情况下，比力信息并不能直接用于修正角速率的计算，因为此时存在着外速度的干扰，但是罗经***本身并不能输出速度信息，所以我们必须设计方案把外速度的有害干扰信息从比力信息中补偿掉，然后再进行解算。

针对这个问题，较为传统的方法是完成罗经对准后，从所得到的航向角中直接补偿速度对航向的影响。当然，目前也有不少人提出新方法，如鲍宏杨在《南通航运职业技术学院学报》上发表的《GPS/SINS组合姿态解算的捷联陀螺罗经研究》，经张俊在《中国惯性技术学报》上发表的《捷联罗经的动基座自对准技术》。

传统的方法在航向解算结束后才补偿有害加速度，造成的误差过大，并且不满足实时进行姿态解算的要求；新提出的2种方法虽然在解算前补偿了有害加速度，但是均依靠了GPS或计程仪等外部设备，由于采样不同步和设备不稳定等一些其它因素的影响，会带来较大误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用捷联惯导输出的速度来补偿加速度的影响，从而提高捷联罗经***的精度的基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：预热惯性测量组件，所述惯性测量组件包括加速度计和陀螺；

步骤2：惯性测量装置测量数据实时输出，加速度计输出比力f^b，陀螺输出角速度

步骤3：在同一套惯性测量装置测量数据的支持下，在导航计算机内并行运行捷联惯导***和捷联罗经***程序分别建立捷联惯导***、捷联罗经***数学平台；

步骤4：捷联惯导***实时输出捷联惯导***速度信息

和纬度信息

步骤5：捷联罗经***将加速度计输出比力f^b实时投影到导航坐标系上得到f^p；

步骤6：对步骤5得到的f^p进行实时补偿，得到f^p的补偿值

步骤7：利用罗经工作原理，由步骤6得到的

测量得到捷联罗经修正角速度ω_c；

步骤8：由步骤4中，捷联惯导***实时输出速度信息

和纬度信息测量牵连角速度和地球角速度

步骤9：捷联罗经***将步骤8中牵连角速度和地球角速度

实时投影到载体坐标系上得到

步骤10：由步骤2中陀螺输出角速度

步骤9中实时测量捷联罗经***数学平台转动角速度

步骤11：利用

实时解算捷联罗经***数学平台所对应的捷联矩阵；

步骤12：捷联罗经***实时输出姿态信息。

本发明还可以包括：

1、对f^p进行实时补偿的方法包括：

$\stackrel{\‾}{f^p}=f^p-A^p$

其中

即A^p可由捷联惯导***输出速度的差分得到。

2、牵连角速度

和地球角速度

的测量过程为：

其中[]^T表示转置，

和

表示捷联惯导***速度信息

在地理坐标系p系的东向和北向速度分量，可由捷联惯导***直接输出；

为船舶当地的纬度值。

捷联惯性***仅由测量组件和计算机两部分组成，捷联惯性***舍弃了复杂的物理平台***，以数学计算的方式代替平台的作用。因此，对于捷联惯性***而言，由于物理平台被一个数学矩阵所代替，因此对平台控制思想也可以不必局限于物理平台上的控制方法。一套惯性测量装置所对应数学平台可以不止是一个，只要计算机的速度够快，同一套惯性测量装置的测量数据可以同时支持捷联惯导***并行计算。各***之间相互独立运算，不同的***由于运算方法不同，那么基于各自的数学平台所进行的导航结果也将各有特点。有效地利用它们对相同误差源的响应偏差，即可反向观察***的误差，并且对各***的误差加以补偿。

在船舶运行过程中，如果需要进行初始对准，那么就需要考虑静基座对准情况下所没有的外加速度干扰。

关于外速度干扰，可以利用同一套惯性测量装置下的捷联惯导***和捷联罗经***共享一套性测量装置输出数据使误差较小的特性，用捷联惯导***输出的速度等信息去补偿捷联罗经***中的误差，这样便能以较小的误差达到较好的效果。可以直接对

进行差分计算所得有害载体加速度A^p。

最后，把计算出来的有害加速度A^p补偿到捷联罗经的测量加速度f^p中，然后进行姿态解算。

本发明提供了一种基于捷联惯性导航和捷联罗经双***的补偿方法。在罗经***运行的同时，并行计算一套捷联惯导***，两套***共用一个惯性测量元件，各***之间相互独立运算，不同的***由于运算方法不同，那么基于各自的数学平台所进行的导航结果也将各有特点。有效地利用它们对相同误差源的响应偏差，即可反向观察***的误差，并且对各***的误差加以补偿。用捷联惯导输出的速度来补偿加速度的影响，从而提高捷联罗经***的精度。

本发明不需引入外部速度参***，如电磁计程仪、多普勒计程仪，因此具有成本低、使用方便等优势。

附图说明

图1为本发明中捷联罗经***解算原理图。

图2为本发明的原理图。

图3为本发明的双***并行运算示意图。

具体实施方式

下面结合图1举例对本发明做更详细的描述：

本发明涉及的坐标系有：p-数学平台坐标系；b-载体坐标系。两个坐标系之间的转换用方向余弦矩阵表示。

1、惯性测量组件（包括加速度计和陀螺）预热，预热时间可参见使用说明书；

2、惯性测量装置测量数据实时输出，加速度计输出比力f^b，陀螺输出角速度

3、在同一套惯性测量装置测量数据的支持下，在导航计算机内并行运行捷联惯导***和捷联罗经***程序分别建立捷联惯导***、捷联罗经***数学平台；

4：捷联惯导***实时输出捷联惯导***速度信息

和纬度信息

5：捷联罗经***将加速度计输出比力f^b实时投影到导航坐标系上得到f^p；

$f^p=C_b^p{f}^b$

其中为步骤3中数学平台实时解算的捷联矩阵；

6：对步骤5得到的f^p进行实时补偿，得到f^p的补偿值

$\stackrel{\‾}{f^p}=f^p-A^p$

其中

即A^p可由捷联惯导***输出速度的差分得到；

7、利用罗经工作原理，由步骤6得到的测量得到捷联罗经修正角速度ω_c；

8、由步骤4中，捷联惯导***实时输出速度信息

和纬度信息测量牵连角速度

和地球角速度

其中[]^T表示转置，

表示捷联惯导***速度信息

在地理坐标系p系的东向和北向速度分量，可由捷联惯导***直接输出；

为船舶当地的纬度值；

9：捷联罗经***将步骤8中牵连角速度

和地球角速度

实时投影到载体坐标系上得到

和

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ep}}^b+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^b=C_p^b({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ep}}^p+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^p)$

$C_p^b=[C_b^p{]}^T;$

10：由步骤2中陀螺输出角速度

步骤9中

实时测量捷联罗经***数学平台转动角速度

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pb}}^b={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ib}}^b-{\mathrm{\ω}}_c^b-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ep}}^b+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^b);$

11：利用实时解算捷联罗经***数学平台所对应的捷联矩阵；

12：捷联罗经***实时输出姿态信息。

Claims (3)

1.一种基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法，其特征是包括如下步骤： 

步骤1：预热惯性测量组件，所述惯性测量组件包括加速度计和陀螺； 

步骤2：惯性测量装置测量数据实时输出，加速度计输出比力f^b，陀螺输出角速度

步骤3：在同一套惯性测量装置测量数据的支持下，在导航计算机内并行运行捷联惯导***和捷联罗经***程序分别建立捷联惯导***、捷联罗经***数学平台； 

步骤4：捷联惯导***实时输出捷联惯导***速度信息和纬度信息

步骤5：捷联罗经***将加速度计输出比力f^b实时投影到导航坐标系上得到f^p； 

步骤6：对步骤5得到的f^p进行实时补偿，得到f^p的补偿值

步骤7：利用罗经工作原理，由步骤6得到的

测量得到捷联罗经修正角速度ω_c； 

步骤8：由步骤4中，捷联惯导***实时输出速度信息

和纬度信息测量牵连角速度

和地球角速度

步骤9：捷联罗经***将步骤8中牵连角速度

和地球角速度

实时投影到载体坐标系上得到

和

步骤10：由步骤2中陀螺输出角速度

步骤9中

和

实时测量捷联罗经***数学平台转动角速度

步骤11：利用

实时解算捷联罗经***数学平台所对应的捷联矩阵； 

步骤12：捷联罗经***实时输出姿态信息。 

2.根据权利要求1所述的基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法，其特征是对f^p进行实时补偿的方法包括： 

其中

即A^p可由捷联惯导***输出速度的差分得到。 

3.根据权利要求1或2所述的基于捷联惯导***的捷联罗经姿态测量方法，其特征是牵连角速度

和地球角速度

的测量过程为： 

其中[]^T表示转置，表示捷联惯导***速度信息

在地理坐标系p系的东向和北向速度分量，可由捷联惯导***直接输出；

为船舶当地的纬度值。 

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