專利名稱：艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供的是一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量技術(shù)，具體地說是綜合利用主慣導(dǎo)以及局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息，陀螺、加速度計(jì)輸出的傳感器信息測(cè)量艦船裝載設(shè)備的初始水平和方位角度地方法。
背景技術(shù)：
為保證艦船上雷達(dá)、衛(wèi)星接收天線等設(shè)備的正常工作，以及所搭載直升機(jī)的起飛準(zhǔn)備階段順利進(jìn)行，需要艦船導(dǎo)航系統(tǒng)提供具有一定精度的姿態(tài)參數(shù)信息。由于船體變形的影響使得艦船中心的主慣導(dǎo)系統(tǒng)無法直接作為雷達(dá)、衛(wèi)星接收天線、直升機(jī)等艦載設(shè)備的姿態(tài)基準(zhǔn)，因此需要在艦載設(shè)備所在位置處設(shè)置局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)來完成此項(xiàng)任務(wù)。
對(duì)于局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)以前需要確定初始姿態(tài)參數(shù)。初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量是局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)的基本條件，初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度直接關(guān)系到局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航的精度，初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量過程所需要的時(shí)間長短決定了局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力。
根據(jù)載體在初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量分為兩類靜基座情形和動(dòng)基座情形。根據(jù)使用外部參考信息的情況，可以將初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量分為三類阻尼式、傳遞式和外部傳感器輔助信息式。傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量是指艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用高精度的主慣導(dǎo)輸出信息來濾波匹配測(cè)量初始姿態(tài)參數(shù)的方法。
艦船在航行的過程中不僅自身存在速度和線速度，它還會(huì)受到海浪和浪涌的影響，存在搖擺運(yùn)動(dòng)和線性的干擾運(yùn)動(dòng)。局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在艦船航行狀態(tài)下進(jìn)行初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量。因此，艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量屬于動(dòng)基座初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量。由于動(dòng)基座情形下，基座的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾量，同時(shí)陀螺和加速度計(jì)存在著器件誤差，阻尼式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量無法滿足動(dòng)基座情形下初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的要求。外部傳感器輔助信息式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量一般使用GPS或DVL作為外部傳感器輸出的位置、速度信息。GPS接收機(jī)接收信號(hào)的質(zhì)量受云層情況和導(dǎo)航衛(wèi)星空間布局的影響，并且GPS導(dǎo)航缺乏自主性，容易受到外界干擾。DVL輸出的速度信息質(zhì)量受到海水鹽度、海底地形的復(fù)雜程度影響，并且DVL導(dǎo)航同樣缺乏自主性。艦船在某些工作狀態(tài)下出于隱蔽性的要求，外部傳感器GPS、DVL輸出信息是無法獲得的，外部傳感器輔助信息式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的使用具有局限性。為了有效的解決艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的問題，傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量技術(shù)經(jīng)常被采用，它利用艦船上高精度的主慣導(dǎo)測(cè)量信息作為信息源，采用信息匹配的方法，實(shí)時(shí)遞推計(jì)算局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所在位置處艦船裝載設(shè)備載體坐標(biāo)系相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的水平和方位失準(zhǔn)角，在此過程中需要有高精度的艦船主慣導(dǎo)進(jìn)行輔助對(duì)準(zhǔn)。
艦船搭載的直升機(jī)需要緊急起飛執(zhí)行搜索和救援任務(wù)，雷達(dá)需要短時(shí)間內(nèi)追蹤到設(shè)定目標(biāo)，衛(wèi)星接收天線需要快速達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)定姿態(tài)值，因此要求這些艦載設(shè)備具有快速反應(yīng)和精確定姿能力。而艦載設(shè)備的反應(yīng)時(shí)間主要取決于艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量所用時(shí)間。同時(shí)，艦載設(shè)備的精確定姿與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量精度密切相關(guān)。目前，艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常使用傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量。傳統(tǒng)的傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量技術(shù)采用艦船主慣導(dǎo)與局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的速度信息作為觀測(cè)量。通過對(duì)于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的分析，在采用速度信息作為觀測(cè)量時(shí)，初始姿態(tài)參數(shù)中航向角的可觀測(cè)度較低，對(duì)于航向角的測(cè)量時(shí)間通常需要25分鐘以上。無法滿足艦載設(shè)備快速反應(yīng)的要求(在3分鐘之內(nèi)測(cè)量出初始姿態(tài)參數(shù))。航向角的快速測(cè)量已經(jīng)成為傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量技術(shù)的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能快速測(cè)量艦載設(shè)備的航向角，從而提高艦載設(shè)備的快速反應(yīng)能力，具有實(shí)用價(jià)值的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 利用艦船主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息與局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行匹配濾波，估測(cè)出艦載設(shè)備的水平姿態(tài)，再利用估測(cè)出的水平姿態(tài)，陀螺輸出的角速度對(duì)艦載設(shè)備的初始航向角進(jìn)行快速測(cè)量。
本發(fā)明可以通過如下具體步驟來實(shí)現(xiàn) 步驟1、將艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度的艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜相聯(lián)通； 步驟2、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后采集艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)； 步驟3、利用主慣導(dǎo)系統(tǒng)將艦載設(shè)備的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)裝訂至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中，所述的艦載設(shè)備的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)包括初始的經(jīng)度、緯度； 步驟4、將主慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)測(cè)量信息通過數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，粗略測(cè)量出艦載設(shè)備的初始姿態(tài)，完成艦載設(shè)備初始姿態(tài)的一次快速傳遞； 步驟5、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用步驟3裝訂的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)和步驟4完成的初始姿態(tài)的一次快速傳遞得到的初始值，利用艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上光纖陀螺儀輸出角速度和石英加速度計(jì)輸出比力進(jìn)行導(dǎo)航遞推解算，測(cè)量艦載設(shè)備的速度； 步驟6、以艦船主慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的速度與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的速度作差，并將此差值作為觀測(cè)向量，采用卡爾曼濾波技術(shù)估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy； 步驟7、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系s系與艦船載體坐標(biāo)系m系之間的水平方向安裝偏差φx、φy，以及艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺輸出艦船主慣導(dǎo)上陀螺輸出其中ωib為陀螺的輸出，上角標(biāo)s與m為投影所在坐標(biāo)系，下角標(biāo)x、y、z表示投影到坐標(biāo)系的三個(gè)軸向，測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz； 步驟8、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間水平方向安裝偏差φx、φy，以及步驟7測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系的之間安裝偏差矩陣Csm； 步驟9、利用步驟8構(gòu)造的艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間安裝偏差矩陣Csm，以及艦船主慣導(dǎo)輸出的艦船載體坐標(biāo)系m系與導(dǎo)航坐標(biāo)系n系之間的方向余弦矩陣Cmn構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn，由艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn測(cè)量出艦載設(shè)備準(zhǔn)確的初始姿態(tài)角。
本發(fā)明還可以包括 1、步驟6中所述的采用卡爾曼濾波技術(shù)估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy的估測(cè)時(shí)間為120秒，其中前80秒為濾波估測(cè)穩(wěn)定時(shí)間，由80秒到120秒應(yīng)用平均濾波技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理； 其中

表示由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中第k個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)的濾波估測(cè)值，由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中，共有N個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)，即k＝1～N。
2、步驟7中所述的方位安裝偏差φz為其中參數(shù)k1，k2，k3，k4為 3、步驟8中所述的安裝偏差矩陣Csm為 4、步驟9中所述的艦載設(shè)備準(zhǔn)確的初始姿態(tài)角， 初始姿態(tài)角的主值為
其中航向角H定義域?yàn)?0°，360°)； 縱搖角ψ定義域?yàn)?-90°，90°)； 橫搖角θ的定義域?yàn)?-90°，90°)； Csn(ij)表示Csn矩陣的第i行，第j列的元素； 下角標(biāo)“主”表示航向角、縱搖角、橫搖角的主值； 則初始姿態(tài)角測(cè)量值為
ψ＝ψ主
傳統(tǒng)的局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始航向參數(shù)測(cè)量技術(shù)不符合艦載設(shè)備快速反應(yīng)的要求。為了解決此問題，本發(fā)明利用艦船主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息與局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行匹配濾波，估測(cè)出艦載設(shè)備的水平姿態(tài)，再利用估測(cè)出的水平姿態(tài)，陀螺輸出的角速度對(duì)艦載設(shè)備的初始航向角進(jìn)行快速測(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)利用局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出，不需要增加新的傳感器，不需要改變安裝結(jié)構(gòu)；在滿足姿態(tài)測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，縮短了局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量時(shí)間，保證了艦載設(shè)備的快速反應(yīng)速度。
本發(fā)明的有益效果可以通過如下動(dòng)態(tài)條件下艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)測(cè)量的試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
試驗(yàn)條件 (1)艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的器件精度陀螺常值漂移為0.01度/小時(shí)，加速度計(jì)的隨機(jī)常值偏置為0.0001。
(2)艦船線運(yùn)動(dòng)為10米/秒的勻速運(yùn)動(dòng)。艦船在海浪激勵(lì)下的角運(yùn)動(dòng)為繞方位軸、縱搖軸和橫搖軸的正弦形式搖擺運(yùn)動(dòng)。
(3)艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx＝φy＝0.1度，方位安裝偏差φz＝0.5度。
試驗(yàn)過程估測(cè)時(shí)間120秒內(nèi)，按照步驟6艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy的濾波估測(cè)趨于穩(wěn)定，應(yīng)用平均濾波技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，并按照步驟7測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz。
試驗(yàn)結(jié)果艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy的濾波估測(cè)誤差如圖2、圖3所示。由80秒到120秒，φx、φy的濾波估測(cè)穩(wěn)定，可應(yīng)用平均濾波技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理估測(cè)出φx、φy，并利用φx、φy的估測(cè)值按照步驟7測(cè)量出φz。
艦載設(shè)備與艦船載體坐標(biāo)系之間的安裝偏差測(cè)量誤差(即本技術(shù)方案測(cè)量結(jié)果與理論設(shè)置值的差值)分別為δφx＝φx-0.1度＝0.005度，δφy＝φy-0.1度＝0.005度，δφz＝φz-0.5度＝0.05度。由此可見艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始姿態(tài)快速測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)的傳遞式初始姿態(tài)參數(shù)測(cè)量技術(shù)的測(cè)量誤差相同，而估測(cè)時(shí)間縮短了22分鐘以上。


圖1為本發(fā)明的艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始姿態(tài)快速測(cè)量技術(shù)流程圖。艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為子慣導(dǎo)系統(tǒng)，艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主慣導(dǎo)系統(tǒng)。
圖2為艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx的濾波估測(cè)誤差曲線圖。
圖3為艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φy的濾波估測(cè)誤差曲線圖。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 本實(shí)施方式中，將艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為子慣導(dǎo)系統(tǒng)(艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)配置光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)構(gòu)成的慣性測(cè)量組件)，艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主慣導(dǎo)系統(tǒng)。初始姿態(tài)快速測(cè)量的具體實(shí)施步驟如下 步驟1、將艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度的艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜相聯(lián)通，保證子慣導(dǎo)與主慣導(dǎo)導(dǎo)航信息之間的數(shù)據(jù)傳輸通暢。
步驟2、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)。預(yù)熱時(shí)間根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)定。
步驟3、利用主慣導(dǎo)系統(tǒng)將艦載設(shè)備的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)(包括初始的經(jīng)度、緯度)裝訂至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中。
步驟4、將主慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)測(cè)量信息通過數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，粗略測(cè)量出艦載設(shè)備的初始姿態(tài)，完成艦載設(shè)備初始姿態(tài)的一次快速傳遞。
步驟5、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用步驟3(裝訂初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù))和步驟4(初始姿態(tài)的一次快速傳遞)得到的初始值，利用艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上光纖陀螺儀輸出角速度和石英加速度計(jì)輸出比力進(jìn)行導(dǎo)航遞推解算，測(cè)量艦載設(shè)備的速度。
步驟6、以艦船主慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的速度與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的速度作差，并將此差值作為觀測(cè)向量，采用卡爾曼濾波技術(shù)估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy。估測(cè)時(shí)間為120秒，其中前80秒為濾波估測(cè)穩(wěn)定時(shí)間，由80秒到120秒應(yīng)用平均濾波技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。
(1) 其中

表示由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中第k個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)的濾波估測(cè)值。由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中，共有N個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)，即k＝1～N。
步驟7、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系s系與艦船載體坐標(biāo)系m系之間的水平方向安裝偏差φx、φy，以及艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺輸出艦船主慣導(dǎo)上陀螺輸出(其中ωib為陀螺的輸出，上角標(biāo)s與m為投影所在坐標(biāo)系，下角標(biāo)x、y、z表示投影到坐標(biāo)系的三個(gè)軸向)測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz。
其中參數(shù)k1，k2，k3，k4為 步驟8、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間水平方向安裝偏差φx、φy，以及步驟7測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系的之間安裝偏差矩陣Csm。
步驟9、利用步驟8構(gòu)造的艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間安裝偏差矩陣Csm，以及艦船主慣導(dǎo)輸出的艦船載體坐標(biāo)系m系與導(dǎo)航坐標(biāo)系n系之間的方向余弦矩陣Cmn構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn。
由艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn可測(cè)量出艦載設(shè)備準(zhǔn)確的初始姿態(tài)角。
初始姿態(tài)角的主值為
其中航向角H定義域?yàn)?0°，360°)； 縱搖角ψ定義域?yàn)?-90°，90°)； 橫搖角θ的定義域?yàn)?-90°，90°)。
Csn(ij)表示Csn矩陣的第i行，第j列的元素。
下角標(biāo)“主”表示航向角、縱搖角、橫搖角的主值； 則初始姿態(tài)角測(cè)量值為
ψ＝ψ主
本發(fā)明還可以包括如下特征 1)在整個(gè)艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始姿態(tài)快速測(cè)量過程中，艦船主慣導(dǎo)應(yīng)處于導(dǎo)航工作狀態(tài)，輸出艦船的姿態(tài)信息(包括姿態(tài)角和艦船載體坐標(biāo)系m系與導(dǎo)航坐標(biāo)系n系之間的方向余弦矩陣Cmn)，艦船的速度信息以及艦船的位置信息。
2)步驟6中的用到的系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程如下 (6) Z＝HX 式中量測(cè)量為Z，狀態(tài)向量X和系統(tǒng)噪聲W分別為 (7) 其中δV為艦船主慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的速度與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的速度差值；φ為艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的安裝偏差角；下角標(biāo)x、y、z表示投影在艦載設(shè)備載體系s系三個(gè)軸的方向；下角標(biāo)e、r、u表示投影在導(dǎo)航坐標(biāo)系n系三個(gè)軸的方向。系統(tǒng)噪聲W的各個(gè)分量w為白噪聲過程。
系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣和觀測(cè)矩陣分別為 其中 并且R為地球半徑，L為當(dāng)?shù)氐木暥戎?。ωie為地球自轉(zhuǎn)角速度。I5×5為單位矩陣。
將艦船主慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的水平方向速度與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的水平方向作差，并將速度差值δV＝[δVeδVr]為觀測(cè)量。
系統(tǒng)的觀測(cè)方程為
權(quán)利要求
1、一種艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是利用艦船主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息與局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行匹配濾波，估測(cè)出艦載設(shè)備的水平姿態(tài)，再利用估測(cè)出的水平姿態(tài)，陀螺輸出的角速度對(duì)艦載設(shè)備的初始航向角進(jìn)行快速測(cè)量。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是包括如下具體步驟
步驟1、將艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高精度的艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜相聯(lián)通；
步驟2、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，然后采集艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)；
步驟3、利用主慣導(dǎo)系統(tǒng)將艦載設(shè)備的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)裝訂至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中，所述的艦載設(shè)備的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)包括初始的經(jīng)度、緯度；
步驟4、將主慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的姿態(tài)測(cè)量信息通過數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸至艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，粗略測(cè)量出艦載設(shè)備的初始姿態(tài)，完成艦載設(shè)備初始姿態(tài)的一次快速傳遞；
步驟5、艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用步驟3裝訂的初始速度參數(shù)和初始位置參數(shù)和步驟4完成的初始姿態(tài)的一次快速傳遞得到的初始值，利用艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上光纖陀螺儀輸出角速度和石英加速度計(jì)輸出比力進(jìn)行導(dǎo)航遞推解算，測(cè)量艦載設(shè)備的速度；
步驟6、以艦船主慣導(dǎo)系統(tǒng)測(cè)量的速度與艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量的速度作差，并將此差值作為觀測(cè)向量，采用卡爾曼濾波技術(shù)估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy；
步驟7、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系s系與艦船載體坐標(biāo)系m系之間的水平方向安裝偏差φx、φy，以及艦船局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的光纖陀螺輸出艦船主慣導(dǎo)上陀螺輸出其中ωib為陀螺的輸出，上角標(biāo)s與m為投影所在坐標(biāo)系，下角標(biāo)x、y、z表示投影到坐標(biāo)系的三個(gè)軸向，測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz；
步驟8、利用步驟6估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間水平方向安裝偏差φx、φy，以及步驟7測(cè)量出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的方位安裝偏差φz構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系的之間安裝偏差矩陣Csm；
步驟9、利用步驟8構(gòu)造的艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間安裝偏差矩陣Csm，以及艦船主慣導(dǎo)輸出的艦船載體坐標(biāo)系m系與導(dǎo)航坐標(biāo)系n系之間的方向余弦矩陣Cmn構(gòu)造出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn，由艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的方向余弦矩陣Csn測(cè)量出艦載設(shè)備準(zhǔn)確的初始姿態(tài)角。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是步驟6中所述的采用卡爾曼濾波技術(shù)估測(cè)出艦載設(shè)備載體坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系之間的水平方向安裝偏差φx、φy的估測(cè)時(shí)間為120秒，其中前80秒為濾波估測(cè)穩(wěn)定時(shí)間，由80秒到120秒應(yīng)用平均濾波技術(shù)對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；
其中
表示由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中第k個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)的濾波估測(cè)值，由80秒到120秒數(shù)據(jù)平滑過程中，共有N個(gè)濾波估測(cè)時(shí)間點(diǎn)，即k＝1～N。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是步驟7中所述的方位安裝偏差φz為其中參數(shù)k1，k2，k3，k4為
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是步驟8中所述的安裝偏差矩陣Csm為
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法，其特征是步驟9中所述的艦載設(shè)備準(zhǔn)確的初始姿態(tài)角，
初始姿態(tài)角的主值為
其中航向角H定義域?yàn)?0°，360°)；
縱搖角ψ定義域?yàn)?-90°，90°)；
橫搖角θ的定義域?yàn)?-90°，90°)；
Csn(ij)表示Csn矩陣的第i行，第j列的元素；
下角標(biāo)“主”表示航向角、縱搖角、橫搖角的主值；
則初始姿態(tài)角測(cè)量值為
ψ＝ψ主
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種艦船局部捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)快速測(cè)量方法。利用艦船主慣導(dǎo)的導(dǎo)航信息與局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行匹配濾波，估測(cè)出艦載設(shè)備的水平姿態(tài)，再利用估測(cè)出的水平姿態(tài)，陀螺輸出的角速度對(duì)艦載設(shè)備的初始航向角進(jìn)行快速測(cè)量。本發(fā)明利用局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和艦船捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出，不需要增加新的傳感器，不需要改變安裝結(jié)構(gòu)；在滿足姿態(tài)測(cè)量精度的基礎(chǔ)上，縮短了局部捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量時(shí)間，保證了艦載設(shè)備的快速反應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01C21/16GK101566477SQ20091007217
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者奔粵陽, 偉 高, 鑫 張, 周廣濤, 博 徐, 陳世同, 強(qiáng) 于, 高洪濤, 磊 吳, 程建華 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)