一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法。在線估計(jì)系統(tǒng)包括三個(gè)光纖陀螺儀，三個(gè)加速度計(jì)，信號(hào)采集部分，DSP導(dǎo)航解算部分，電源部分和信息顯示部分。信號(hào)采集部分完成對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)實(shí)時(shí)采集；將采集到的陀螺儀和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，消除掉艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾影響，只留下光纖陀螺儀的噪聲干擾項(xiàng)；建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程，采用指數(shù)加權(quán)平均算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的參數(shù)估計(jì)；利用非線性自適應(yīng)卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)Allan方差系數(shù)進(jìn)行有效估計(jì)。本發(fā)明提出線噪聲估計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)光纖羅經(jīng)噪聲誤差項(xiàng)的實(shí)時(shí)更新，提高了羅經(jīng)航向和姿態(tài)輸出精度。
【專利說(shuō)明】一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在艦船動(dòng)態(tài)條件下的一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著光纖陀螺儀的精度和穩(wěn)定性的逐漸提高，以光纖陀螺為核心的船用光纖羅經(jīng)因其體積小，功耗低，價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐步開(kāi)始在艦船上得到廣泛的應(yīng)用。然而，目前應(yīng)用最廣泛的構(gòu)成艦船用光纖羅經(jīng)最核心部分的閉環(huán)干涉式光纖陀螺儀是由長(zhǎng)達(dá)一千米的光纖環(huán)組成的。在艦船的使用環(huán)境中由于溫濕度的變化，以及周圍磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響，對(duì)于長(zhǎng)期工作的光纖羅經(jīng)有很大的影響。特別會(huì)給光纖陀螺引入不同程度的隨機(jī)噪聲。而這些隨機(jī)噪聲的引入會(huì)給光纖陀螺的輸出值產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響光纖羅經(jīng)的姿態(tài)和航向輸出精度，這樣就使得系統(tǒng)的可靠性得不到保證。因此，為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性，增強(qiáng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高精度工作的能力，提出一種能在艦船航向條件下實(shí)時(shí)在線對(duì)光纖陀螺的噪聲項(xiàng)進(jìn)行有效的估計(jì)方法已成為必然要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)羅經(jīng)光纖陀螺的隨機(jī)噪聲的一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)，本發(fā)明的目的還包括提出具有高精度的一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)及估計(jì)方法。
[0004]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)，包括三個(gè)光纖陀螺儀，三個(gè)加速度計(jì)，信號(hào)采集部分，DSP導(dǎo)航解算部分，電源部分和信息顯示部分；
[0006]光纖陀螺儀用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的角速率，進(jìn)而計(jì)算出在一定的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)載體的姿態(tài)變化角和航向變化角，然后傳送給信號(hào)采集部分；
[0007]加速度計(jì)用于測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)于慣性空間線性加速度和重力角速度，進(jìn)而得到當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)載體的航向和姿態(tài)信息，然后傳送給信號(hào)采集部分；
[0008]信號(hào)采集部分完成對(duì)光纖陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)采集及濾波處理，然后傳送給DSP導(dǎo)航解算部分；
[0009]DSP導(dǎo)航解算部分完成對(duì)航向角和姿態(tài)角的實(shí)時(shí)結(jié)算，再傳送給信息顯示部分，顯示部分實(shí)現(xiàn)航向角和姿態(tài)角信息的實(shí)時(shí)顯示；
[0010]電源部分分別與光纖陀螺儀、加速度計(jì)、信號(hào)采集部分、DSP導(dǎo)航解算部分、信息顯示部分相連。
[0011]本發(fā)明一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)方法還可以包括以下幾個(gè)步驟:
[0012]步驟一:系統(tǒng)初始化；
[0013]步驟二:信號(hào)采集部分實(shí)時(shí)采集陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)；
[0014]步驟三:將步驟二采集到的陀螺儀和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；[0015]步驟四:消除掉艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾影響，只留下光纖陀螺儀的噪聲干擾項(xiàng)；
[0016]在時(shí)間間隔t內(nèi)光纖陀螺儀的角增量輸出值為:
[0017]Θ F0G — Θ EEAL+ Θ bF0G+ Θ nF0G
[0018]其中:Θ F0G是光纖陀螺儀輸出的角增量，Θ REAL是艦船真實(shí)的姿態(tài)角增量，Θ bF0G是陀螺儀零偏值，Qnroe是光纖陀螺儀輸出的噪聲量；
[0019]在時(shí)間間隔t的起始時(shí)刻tl，由加速度計(jì)的輸出值經(jīng)過(guò)解算可以得到艦船的姿態(tài)值為:
[0020]Θ Acctl — Θ EEALtl+ Θ bACCtl+ 9 nACCtl
[0021]在時(shí)間間隔t的終止時(shí)刻t2，由加速度計(jì)的輸出值得到艦船的姿態(tài)值為:
[0022]Θ Acct2 — Θ REALt2+ Θ bACCt2+ 9 nACCt2
[0023]Θ Accti表示加速度計(jì)輸出的姿態(tài)值，Θ REALti表示角速度計(jì)輸出的載體的真實(shí)姿態(tài)值，Θ bAeeti表示加速度計(jì)輸出的零偏值，Θμ。?！侗硎炯铀俣扔?jì)輸出值的噪聲量，其中i = l表示在tl時(shí)刻，1=2表示在t2時(shí)刻；
[0024]在與陀螺儀相同的時(shí)間間隔t = t2-tl內(nèi)加速度計(jì)輸出的姿態(tài)增量為:
[0025]Δ Θ Acc — Θ Acct2- Θ Acctl
[0026]— Θ REALt2- Θ REALtl+ 9 bACCt2_ ^ bACCtl+ ^ nACCt2_ ^ nACCtl
[0027]Θ REAL = Θ REALt2- Θ REALtl是艦船在時(shí)間間隔t內(nèi)的真實(shí)姿態(tài)增量；Θ bAcct2- Θ bAcctl和Θ MCCt2- θ nACCtl為加速度計(jì)在時(shí)間間隔t內(nèi)的零偏變化量和噪聲變化量；
[0028]在時(shí)間間隔t內(nèi)光纖陀螺儀的角增量輸出值與加速度計(jì)輸出的姿態(tài)增量做差消除掉艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾影響，并且選擇t的值消除零偏變化量和噪聲變化量，只留下光纖陀螺儀的噪聲干擾項(xiàng)；
[0029]Θ — Θ F0G- Δ Θ Acc
[0030]— Θ bF0G+ Θ J1fog+ Θ bAGGt「θ bAcct2+ θ nAGGt「9 nACCt2 ;
[0031]步驟五:建立系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程，確定光纖陀螺的噪聲參量；
[0032]建立系統(tǒng)狀態(tài)方程模型:
[0033]xk+1 = [i? KBN Q\+i =? + ?
[0034]其中Xk是k時(shí)刻的狀態(tài)向量，δ k是k時(shí)刻的零均值高斯白噪聲，R為速率斜坡，K為速率隨機(jī)游走，B為零偏穩(wěn)定性，N為角度隨機(jī)游走，Q為量化噪聲，這五個(gè)參數(shù)為光纖陀螺的噪聲參量；
[0035]建立系統(tǒng)的量測(cè)方程:
[0036]2r X σ2⑴=〈(6^+2m — 20k+ ? + 9k )2〉= R2T4 + + 4ln2B T +2N2t + bQ
[0037]其中，τ是數(shù)據(jù)族長(zhǎng)度，σ2(τ)是Allan方差，Θ k是k時(shí)刻的角度輸出值，?是計(jì)算整體均值，速率斜坡R、速率隨機(jī)游走K、零偏穩(wěn)定性B、角度隨機(jī)游走N和量化噪聲Q為Allan方差系數(shù)；
[0038]采用下式簡(jiǎn)化系統(tǒng)量測(cè)方程的計(jì)算:
[0039]A(z) = a z-1A (Z) + (1-a ) X (z)
[0040] 其中，A(Z)是數(shù)字均值輸出，α是權(quán)重系數(shù)，且(O < α < I), χ(ζ)是(Θ k+2m-2 θ k+m+ θ k)2在k時(shí)刻的輸出值；α值決定了光纖陀螺數(shù)字輸出均值的精度和帶寬；
[0041]步驟六:利用非線性自適應(yīng)卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺的噪聲參量進(jìn)行有效估計(jì)；
[0042]用y( τ )來(lái)表示系統(tǒng)的量測(cè)方程左邊的項(xiàng)，h (χ ( τ ), τ)表示系統(tǒng)的量測(cè)方程右
邊的項(xiàng)，通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并完成線性化處理后可得:
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:包括三個(gè)光纖陀螺儀，三個(gè)加速度計(jì)，信號(hào)采集部分，DSP導(dǎo)航解算部分，電源部分和信息顯示部分； 光纖陀螺儀用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的角速率，進(jìn)而計(jì)算出在一定的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)載體的姿態(tài)變化角和航向變化角，然后傳送給信號(hào)采集部分； 加速度計(jì)用于測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)于慣性空間線性加速度和重力角速度，進(jìn)而得到當(dāng)前時(shí)刻運(yùn)載體的航向和姿態(tài)信息，然后傳送給信號(hào)采集部分； 信號(hào)采集部分完成對(duì)光纖陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)采集及濾波處理，然后傳送給DSP導(dǎo)航解算部分； DSP導(dǎo)航解算部分完成對(duì)航向角和姿態(tài)角的實(shí)時(shí)結(jié)算，再傳送給信息顯示部分，顯示部分實(shí)現(xiàn)航向角和姿態(tài)角信息的實(shí)時(shí)顯示； 電源部分分別與光纖陀螺儀、加速度計(jì)、信號(hào)采集部分、DSP導(dǎo)航解算部分、信息顯示部分相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種船用羅經(jīng)光纖陀螺噪聲在線估計(jì)方法，其特征在于:包括以下幾個(gè)步驟， 步驟一:系統(tǒng)初始化； 步驟二:信號(hào)采集部分實(shí)時(shí)采集陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)； 步驟三:將步驟二采集到的陀螺儀和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理； 步驟四:消除掉艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾影響，只留下光纖陀螺儀的噪聲干擾項(xiàng)；在時(shí)間間隔t內(nèi)光纖陀螺儀的角增量輸出值為: Q_ QI QI Q
FOG — REAL bFOG nFOG 其中:Θ.是光纖陀螺儀輸出的角增量，ΘΚΕΛ是艦船真實(shí)的姿態(tài)角增量，Qbrae是陀螺儀零偏值，Θ nF0G是光纖陀螺儀輸出的噪聲量； 在時(shí)間間隔t的起始時(shí)刻tl，由加速度計(jì)的輸出值經(jīng)過(guò)解算可以得到艦船的姿態(tài)值為: Q_ QI QI Q
ACCtl — REALtl bACCtl nACCtl 在時(shí)間間隔t的終止時(shí)刻t2，由加速度計(jì)的輸出值得到艦船的姿態(tài)值為: Q_ QI QI Q
ACCt2 — REALt2 bACCt2 nACCt2 θ ACCti表示加速度計(jì)輸出的姿態(tài)值，Θ REALti表示角速度計(jì)輸出的載體的真實(shí)姿態(tài)值，θ MCCU表示加速度計(jì)輸出的零偏值，Θ nACCti表示加速度計(jì)輸出值的噪聲量，其中i = l表示在tl時(shí)刻，1=2表示在t2時(shí)刻； 在與陀螺儀相同的時(shí)間間隔t = t2-tl內(nèi)加速度計(jì)輸出的姿態(tài)增量為:
Λ P) —— q — fi
d ACC — ACCt2 ACCtl _ fi — P) _L Q 一 fi _L Q 一 fi
— REALt2 REALtl bACCt2 bACCtl nACCt2 nACCtl
.9 REAL — 9 REALt2_ ^ EEALtl
是艦船在時(shí)間間隔t內(nèi)的真實(shí)姿態(tài)增量；θbACCt2_ 9 bACCtl 和θ nACCt2- θ nACCtl為加速度計(jì)在時(shí)間間隔t內(nèi)的零偏變化量和噪聲變化量； 在時(shí)間間隔t內(nèi)光纖陀螺儀的角增量輸出值與加速度計(jì)輸出的姿態(tài)增量做差消除掉艦船運(yùn)動(dòng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的干擾影響，并且選擇t的值消除零偏變化量和噪聲變化量，只留下光纖陀螺儀的噪聲干擾項(xiàng)；
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【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103940448SQ201410145935
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】高延濱, 管練武, 曾建輝, 李緒友, 張帆, 孫云龍, 許德新, 張慶, 胡文彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)