CN104807479A - 一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法 - Google Patents

Abstract

一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法。其步骤是：完成预热准备、对主、子惯导***分别进行导航解算、构造姿态变化量的测量方程、构造性能评估量测方程、进行卡尔曼滤波解算、进行逆向平滑估计，获取传递对准结束时刻的姿态失准角，实现对舰载武器惯导***传递对准的对准精度评估，本发明方法设计一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法，以DGPS位置和速度的线运动信息为主参考信息，以主惯导姿态变化量为辅助参考信息的精度评估方法，能降低精度评估对载体机动的强度的要求，而基于角速率的积分输出作为观测值，能有效抑制外部环境干扰对惯导对准性能评估效果的影响，提高舰载武器惯导对准精度评估性能。

Description

一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法，尤其是针对舰载武器捷联惯导***传递对准的精度评估方法。

背景技术

初始对准是惯导***转入导航工作状态前必须完成的一项关键***技术，而且初始对准的精度、时间直接影响了惯导***的导航精度和启动准备时间。对于舰载机和其他舰载武器***，由于作战使命的快速性要求，使得其惯导***必须实现短时间精确初始对准。

传统的自主式初始对准存在对准精度与对准时间相矛盾的问题，且不适宜于动基座应用。传递对准是一种适用于舰载武器惯导***（以下简称子惯导***）初始对准的动基座对准方法，利用已对准的主惯导***提供量测信息或导航信息，辅助完成子惯导***的初始对准。然而，主子惯导传递对准的精度仍会受到量测信息的类型、载体运动方式、甲板变形等诸多因素的影响，因此对传递对准开展精度评估，对于评价传递对准方案性能并进而开展优化，具有重要的实际意义。

由于动基座条件下没有更高的姿态基准，无法直接测得对准结束时刻的子惯导姿态误差，只跟根据其误差传播特性，结合相关观测量，用最优估计理论实现信号估计，最终完成惯导***对准性能评估。

影响惯导对准精度性能评估的因素主要包括：（1） 精度性能评估时的外部参考信息；（2） 精度性能评估的信号估计方法。在精度评估的滤波过程中，必须选择精度比子惯导高至少一个数量级的导航***作为参考***，以提供量测匹配量与舰载武器惯导***提供的匹配量构造滤波观测量。可供选择的参考***有：DGPS和舰载主惯导***。由于DGPS的量测噪声十分接近白噪声，所以通常选择DGPS为参考***，并以速度、位置作为匹配量。近年来，针对舰船领域的对准性能评估，引入了主惯导姿态输出作为辅助信息。另一方面，精度性能评估的信号估计方法主要有固定点平滑及固定区间平滑两种。由于固定区间平滑一般能达到比固定点平滑更好的效果，故常选用固定区间平滑算法。运用卡尔曼固定区间平滑算法进行传递对准的精度评估，主要分两步：正向实时滤波和逆向平滑。随着舰载武器惯导***的解算进行正向实时滤波解算，同时存储四个平滑用的矩阵；而固定区间平滑过程则可利用存储的滤波数据离线进行，降低了实时数据的运算量。由于能够充分利用评估时间段内的滤波数据，固定区间平滑算法可以达到较高的误差估计精度。

总的来讲，现有的精度评估方法存在以下问题：

传统方法对舰船机动性能的要求较高，而引入主惯导***姿态输出作为辅助时，虽然能降低对载体机动特性的要求，但由于姿态信息包含有舒勒、傅科和地球周期振荡误差，当评估时机选择不合适时，主惯导***振荡误差反而会降低对准性能评估效果。

为避免主惯导姿态输出中的振荡误差分量影响对准性能评估的问题，并考虑到直接采用角速率易受振动等环境干扰的问题，基于角速率的积分量，即主子惯导***的姿态变化量作为辅助信息，设计设计在舰船低机动条件下的传递对准精度评估方法，具有重要的实际意义。

基于此，本发明方法设计一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法，以DGPS位置和速度的线运动信息为主参考信息，以主惯导姿态变化量为辅助参考信息的精度评估方法，能降低精度评估对载体机动的强度的要求，而基于角速率的积分输出作为观测值，能有效抑制外部环境干扰对惯导对准性能评估效果的影响，提高舰载武器惯导对准精度评估性能。

发明内容

本发明针对以上问题，提出了一种步骤清晰、逻辑性好、处理效率高且评估精度高的基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法。

本发明的技术方案为：按以下步骤进行评估：

S1、完成子惯导***及DGPS的预热准备，利用已对准的舰船的主惯导***完成对舰船上的其他设备的子惯导***的传递对准；

S2、对主惯导***和子惯导***分别进行导航解算，采集DGPS输出的舰船的速度信息和位置信息角速率信息，主惯导***输出的舰船的角速率信息，并采集子惯导***输出的速度信息和位置信息，采集时间为120秒；

S3、构造姿态变化量的测量方程：

                             

式中，是主惯导与子惯导之间的姿态变化量差，是舰船的角速率信息，是主子惯导传递对准结束时刻的姿态失准角;是的反对称矩阵；

S4、构造基于主惯导姿态变化量辅助的复合量测量 Z ， Z 的表达式为：

          

式中，为子惯导与DGPS构造的速度差，为子惯导与DGPS构造的位置差，为子惯导与主惯导构造的姿态变化量；、分别为DGPS输出的东向、北向速度，、分别为DGPS输出的纬度、经度；；、分别为子惯导***输出的东向、北向速度，、分别为子惯导***输出的纬度、经度；

S5、构造基于主惯导姿态变化量辅助的性能评估量测方程：

        

式中，,,分别为子惯导纵摇、横摇和航向误差；,分别为子惯导东向和北向速度误差；,分别为子惯导纬度和经度误差；,,分别为东向、北向和天向陀螺随机漂移；,,分别为东向、北向和天向加速度计随机噪声分量；

基于状态量 X 和量测量 Z ，建立性能评估量测方程为：

                                 

式中，为量测噪声向量，为量测矩阵：

        ；

S6、根据***的状态方程、量测方程及在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算：

传递对准精度评估***连续状态空间模型：

                                   

式中，,，

        ，，为(2)中采集的子惯导姿态矩阵，、为(2)中采集的子惯导东向、北向比力在导航坐标系内的投影，为子惯导***的陀螺随机漂移；

对上述模型进行离散化，得到***的离散化状态空间模型为：

        

式中，k=1,2,3,…；为一步转移矩阵；为量测矩阵，且；为***噪声，且，为卡尔曼滤波器的***噪声方差阵；为量测噪声，且有

        

式中，为量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***速度差的量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***位置差的量测噪声方差阵，为主、子惯导***姿态变化量差值的量测噪声方差阵；

结合在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算，其滤波方程为：

        

式中，k=1,2,3,…；为状态一步预测量，为一步预测误差方差阵，为滤波增益矩阵，为状态估计量，为估计误差方差阵；

保存产生的四个滤波矩阵用于固定区间平滑解算，这四个矩阵分别是：一步转移矩阵，一步预测误差方差阵，状态估计量，估计误差方差阵；

S7、利用卡尔曼固定区间平滑方程对(4)中存储的数据进行逆向平滑估计，获取传递对准对准结束时刻的姿态失准角，实现对舰载武器惯导***传递对准的对准精度评估；

卡尔曼固定区间平滑方程为：

        

式中，k=N-1,N-2,……,0，N表示解算的步数；、、、分别是(4)中存储的滤波数据；为平滑增益矩阵，为平滑误差方差阵，为***k时刻状态的最优平滑估计，为***初始状态的平滑估计结果，即的值就是精度评估的结果；完毕。

本发明的有益效果为：

一、通过引入主惯导角运动信息辅助DGPS，大大降低了惯导对准性能评估对载体机动的要求，仅依赖摇摆运动，就能准确完成惯导对准误差的精确估计；

二、采用主子惯导的姿态变化量作为辅助观测信息，能够避免直接采用姿态信息时，姿态误差中的舒勒、傅科和地球周期振荡分量对对准性能评估的影响；同时，又可以避免直接采用角速率信息易受外部环境干扰的问题，充分利用更可信的角运动信息。

本发明方法解决的技术问题是：降低舰载武器传递对准精度评估对舰船机动特性的要求，克服主惯导姿态误差振荡分量引入带来的相关问题，提供一种新的、基于主惯导姿态变化量辅助惯导对准性能评估评估方法。其特征在于主惯导姿态变化量信息的引入，能够提高估计方法的适用性。

附图说明

图1是本发明的工作流程图

图2是采用本发明的惯导对准性能评估方法，在舰船摇摆条件下得到的东向失准角的平滑估计曲线的仿真曲线图；

图3是采用本发明的惯导对准性能评估方法，在舰船摇摆条件下得到的北向失准角的平滑估计曲线的仿真曲线图；

图4是采用本发明的惯导对准性能评估方法，在舰船摇摆条件下得到的航向失准角的平滑估计曲线的仿真曲线图；

图5是采用本发明的惯导对准性能评估方法与传统方法对比，在舰船摇摆条件下得到的东向失准角的平滑估计曲线的仿真比对曲线图；

图6是采用本发明的惯导对准性能评估方法与传统方法对比，在舰船摇摆条件下得到的北向失准角的平滑估计曲线的仿真比对曲线图；

图7是采用本发明的惯导对准性能评估方法与传统方法对比，在舰船摇摆条件下得到的航向失准角的平滑估计曲线的仿真比对曲线图。

具体实施方式

本发明如图1-7所示，按以下步骤进行评估：

S1、完成子惯导***及DGPS（DGPS是英文Difference Global Positioning System的缩写，即差分全球定位***，方法是在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。该差值通常称为PRC（伪距离修正值），基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度）的预热准备，利用已对准的舰船的主惯导***完成对舰船上的其他设备的子惯导***的传递对准；主惯导是舰船等运载体用于保障其安全航行的核心惯导***，子惯导是舰船上的其他设备，如舰载机和舰载武器装备的惯导***。而为了启动快速性，子惯导通常需要主惯导的信息，完成初始对准。

S2、对主惯导***和子惯导***分别进行导航解算，采集DGPS输出的舰船的速度信息和位置信息角速率信息，主惯导***输出的舰船的角速率信息，并采集子惯导***输出的速度信息和位置信息，采集时间为120秒；由于安装在同一载体即舰船上，因此，DGPS和子惯导***均输出舰船的速度和位置信息。

舰载的主惯导***通常是高精度惯导***，能联系提供较高精度的舰船姿态信息，可以作为舰船的姿态基准，具备辅助完成精度评估的条件。但是，受到主惯导初始对准误差、惯性器件误差的影响，主惯导***的姿态误差中包含有舒勒、傅科和地球周期振荡误差。当引入主惯导姿态信息作为辅助观测信息时，这些周期振荡误差会降低对准性能评估效果。虽然通过自适应滤波能够进行了时机的有效判断，但降低了主惯导的作用权值，也就在一定程度上降低了对准性能评估效果。

相比较惯导对准性能评估，主惯导***的舒勒、傅科和地球周期振荡均为长周期信号，其误差的变化量在短时间内可以忽略。因此可以采用主惯导姿态变化量作为辅助信息，克服姿态误差振荡分量对惯导对准性能评估效果的影响。

S3、构造姿态变化量的测量方程：

引入主惯导姿态变化量时，将子、主惯导之间的姿态变化量差值作为滤波器的量测量，进行传递对准的精度评估。当主惯导和子惯导感受到舰船的角速度时，其姿态变化量分别为和。因此，子惯导与主惯导之间的姿态变化量差为：

                               (1)

基于主子惯导的姿态失准角，对(1)式进行变换，得：

                              (2)

式中，是主惯导与子惯导之间的姿态变化量差，是舰船的角速率信息，是主子惯导传递对准结束时刻的姿态失准角;是的反对称矩阵。

S4、构造基于主惯导姿态变化量辅助的复合量测量 Z ， Z 的表达式为：

                                   (3)

式中，为子惯导与DGPS构造的速度差，为子惯导与DGPS构造的位置差，为子惯导与主惯导构造的姿态变化量；、分别为DGPS输出的东向、北向速度，、分别为DGPS输出的纬度、经度；；、分别为子惯导***输出的东向、北向速度，、分别为子惯导***输出的纬度、经度。

S5、构造基于主惯导姿态变化量辅助的性能评估量测方程：

选取DGPS为参考***，提供载体的速度及位置信息；选取舰载主惯导***为辅助参考***，提供载体的姿态变化量信息。以舰载武器惯导***与参考***的速度、位置及姿态差作为量测量。选择***状态变量 X 为：

          (4)

式中，,,分别为子惯导纵摇、横摇和航向误差；,分别为子惯导东向和北向速度误差；,分别为子惯导纬度和经度误差；,,分别为东向、北向和天向陀螺随机漂移；,,分别为东向、北向和天向加速度计随机噪声分量。

基于状态量 X 和量测量 Z ，建立性能评估量测方程为：

                                  (5)

式中，为量测噪声向量，为量测矩阵：

        。

S6、根据***的状态方程、量测方程及在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算：

选取准惯性坐标系（原点与地球固连，其三轴在惯性空间指向不变）为导航坐标系n，可得子惯导***的误差方程为：

                            (6)

式中，为子惯导***的姿态矩阵，为子惯导测得的比力在导航坐标系内的投影，为陀螺的随机漂移，为加速度计的随机零偏，为位置误差；

根据（6）式，建立传递对准精度评估***连续状态空间模型：

                                    (7)

式中，,，

        ，，为(2)中采集的子惯导姿态矩阵，、为(2)中采集的子惯导东向、北向比力在导航坐标系内的投影，为子惯导***的陀螺随机漂移。

对上述模型进行离散化，得到***的离散化状态空间模型为：

                                  (8)

式中，k=1,2,3,…；为一步转移矩阵；为量测矩阵，且；为***噪声，且，为卡尔曼滤波器的***噪声方差阵；为量测噪声，且有

                 (9)

式中，为量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***速度差的量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***位置差的量测噪声方差阵，为主、子惯导***姿态变化量差值的量测噪声方差阵。

结合在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算。其滤波方程为：

                  (10)

式中，k=1,2,3,…；为状态一步预测量，为一步预测误差方差阵，为滤波增益矩阵，为状态估计量，为估计误差方差阵。

保存产生的四个滤波矩阵用于固定区间平滑解算。这四个矩阵分别是：一步转移矩阵，一步预测误差方差阵，状态估计量，估计误差方差阵。

S7、利用卡尔曼固定区间平滑方程对(4)中存储的数据进行逆向平滑估计，获取传递对准对准结束时刻的姿态失准角，实现对舰载武器惯导***传递对准的对准精度评估。

卡尔曼固定区间平滑方程为：

                         (11)

式中，k=N-1,N-2,……,0，N表示解算的步数；、、、分别是(4)中存储的滤波数据；为平滑增益矩阵，为平滑误差方差阵，为***k时刻状态的最优平滑估计，为***初始状态的平滑估计结果，即的值就是精度评估的结果；完毕。

仿真验证分析：

通过计算机模拟仿真的方式对所述的传递对准精度评估方法进行仿真验证。

仿真1： 惯导对准性能评估效果仿真

仿真1.1：仿真时间

将仿真时间设置为120，仿真步长为0.1。

仿真1.2：初始误差

将初始姿态误差设置为，初始速度误差设置为0.2，初始位置误差设置为100。。

仿真1.3：惯性元器件误差

子惯导的陀螺常值漂移设置为，子惯导的陀螺随机漂移设置为，子惯导加速度计的常值零偏设置为，子惯导加速度计的随机零偏设置为0.5。

仿真1.4：载体运动状态

舰船受风浪作用进行系泊摇摆，其摇摆运动模型为：

        

摇摆运动参数设置如下：

纵摇：，，，；

横摇：，，，；

航向：，，，；

运动方式：保持系泊摇摆状态。

仿真1.5：卡尔曼滤波器的初值

将量测噪声阵中的姿态变化量的量测噪声数量级设定为0.01。

        )

                

仿真1.6：仿真结果

表1和图2-4给出了对应仿真条件的惯导***对准性能评估结果。

表1 姿态误差仿真结果

        

	(6)	(6)	(6)
				平滑值	5.896	5.615	6.196
平滑相对误差	1.73%	5.92%	3.27%

从表1所示的仿真结果，可知本发明提供的一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法，通过引入主惯导姿态变化量信息，在舰船摇摆状态下，就能有效完成传递对准的精度评估。

仿真2：除仿真时间修改为180s外，其余仿真条件与仿真条件1相同，将本发明提供的方法与传统对准性能评估方法进行比对。图3给出了仿真比对结果。

由比对仿真曲线可知，两种方法均可实现对水平姿态失准角的估计，对于东向失准角和北向失准角的估计，传统传递对准精度评估方案和基于姿态变化量的精度评估方案得到的平滑曲线基本近似于重合，这表明两种精度评估方法，均可实现对水平姿态失准角的精确估计，且评估精度几近相同；而对于方位失准角的估计，仅有基于主惯导“姿态变化量”信息的精度评估方法可以实现精确估计；而传统精度评估方法无法有效对方位失准角进行估计。

Claims (1)

1.一种基于主惯导姿态变化量辅助的惯导对准性能评估方法，其特征在于，按以下步骤进行评估：

S1、完成子惯导***及DGPS的预热准备，利用已对准的舰船的主惯导***完成对舰船上的其他设备的子惯导***的传递对准；

S2、对主惯导***和子惯导***分别进行导航解算，采集DGPS输出的舰船的速度信息和位置信息角速率信息，主惯导***输出的舰船的角速率信息，并采集子惯导***输出的速度信息和位置信息，采集时间为120秒；

S3、构造姿态变化量的测量方程：

                     

式中，是主惯导与子惯导之间的姿态变化量差，是舰船的角速率信息，是主子惯导传递对准结束时刻的姿态失准角;是的反对称矩阵；

S4、构造基于主惯导姿态变化量辅助的复合量测量 Z ， Z 的表达式为：

                        

式中，为子惯导与DGPS构造的速度差，为子惯导与DGPS构造的位置差，为子惯导与主惯导构造的姿态变化量；、分别为DGPS输出的东向、北向速度，、分别为DGPS输出的纬度、经度；；、分别为子惯导***输出的东向、北向速度，、分别为子惯导***输出的纬度、经度；

S5、构造基于主惯导姿态变化量辅助的性能评估量测方程：

式中，,,分别为子惯导纵摇、横摇和航向误差；,分别为子惯导东向和北向速度误差；,分别为子惯导纬度和经度误差；,,分别为东向、北向和天向陀螺随机漂移；,,分别为东向、北向和天向加速度计随机噪声分量；

基于状态量 X 和量测量 Z ，建立性能评估量测方程为：

                         

式中，为量测噪声向量，为量测矩阵：

；

S6、根据***的状态方程、量测方程及在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算：

传递对准精度评估***连续状态空间模型：

                           

式中，,，

，，为(2)中采集的子惯导姿态矩阵，、为(2)中采集的子惯导东向、北向比力在导航坐标系内的投影，为子惯导***的陀螺随机漂移；

对上述模型进行离散化，得到***的离散化状态空间模型为：

式中，k=1,2,3,…；为一步转移矩阵；为量测矩阵，且；为***噪声，且，为卡尔曼滤波器的***噪声方差阵；为量测噪声，且有

式中，为量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***速度差的量测噪声方差阵，为DGPS与子惯导***位置差的量测噪声方差阵，为主、子惯导***姿态变化量差值的量测噪声方差阵；

结合在(2)、(3)、(4)中得到的相关数据，进行卡尔曼滤波解算，其滤波方程为：

式中，k=1,2,3,…；为状态一步预测量，为一步预测误差方差阵，为滤波增益矩阵，为状态估计量，为估计误差方差阵；

保存产生的四个滤波矩阵用于固定区间平滑解算，这四个矩阵分别是：一步转移矩阵，一步预测误差方差阵，状态估计量，估计误差方差阵；

S7、利用卡尔曼固定区间平滑方程对(4)中存储的数据进行逆向平滑估计，获取传递对准对准结束时刻的姿态失准角，实现对舰载武器惯导***传递对准的对准精度评估；

卡尔曼固定区间平滑方程为：

式中，k=N-1,N-2,……,0，N表示解算的步数；、、、分别是(4)中存储的滤波数据；为平滑增益矩阵，为平滑误差方差阵，为***k时刻状态的最优平滑估计，为***初始状态的平滑估计结果，即的值就是精度评估的结果；完毕。