一種針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供的是一種針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。（1）采集T1時(shí)刻組合導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)q1；（2）漂移補(bǔ)償后的陀螺提供船舶當(dāng)前時(shí)刻角速度ω；（3）根據(jù)角速度求解在T2-T1時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角、δq；（4）根據(jù)步驟（1）、（3）信息預(yù)測(cè)T2時(shí)刻星敏感器的姿態(tài)四元數(shù)；（5）根據(jù)預(yù)測(cè)姿態(tài)，解算T2時(shí)刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動(dòng)角θ、以及預(yù)報(bào)的星像坐標(biāo)(x'，y')，解算得到星敏感器的實(shí)際輸出q2c；（6）利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgyo與q2c進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正。本方法提高了星敏感器的工作效率，滿(mǎn)足艦船實(shí)時(shí)搖擺對(duì)高輸出頻率的要求，適合艦船長(zhǎng)時(shí)間航向。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種針對(duì)船舶航行特點(diǎn)的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，是一種提高導(dǎo)航設(shè)備的工作效率和導(dǎo)航精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]星敏感器以不可毀滅的自然天體作為其導(dǎo)航信標(biāo)，無(wú)需任何先驗(yàn)信息，只需對(duì)拍攝到的星圖先后進(jìn)行星圖識(shí)別、星體質(zhì)心提取、星圖匹配及姿態(tài)解算等工作過(guò)程便可輸出星敏感器坐標(biāo)系相對(duì)于慣性系的姿態(tài)四元數(shù)。星敏感器內(nèi)部星圖識(shí)別和星點(diǎn)提取等工作過(guò)程將耗費(fèi)大量時(shí)間，嚴(yán)重影響星敏感器的輸出頻率。同時(shí)，陀螺存在誤差隨著時(shí)間的積累而增大這一缺點(diǎn)，這些對(duì)于船舶海上航行長(zhǎng)期處于搖擺運(yùn)動(dòng)、航行時(shí)間長(zhǎng)這一特定應(yīng)用環(huán)境無(wú)疑是不適用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種工作效率高，可以避免由于船舶搖擺使星點(diǎn)產(chǎn)生像移造成星敏感器輸出精度降低的問(wèn)題，適合于船舶長(zhǎng)時(shí)間航向的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0005](I)采集T1時(shí)刻組合導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)Q1 ；
[0006](2)漂移補(bǔ)償后的陀螺提供船舶當(dāng)前時(shí)刻角速度ω ；
[0007](3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角如，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)δ q ；
[0008](4)根據(jù)步驟(I)、(3)信息預(yù)測(cè)T2時(shí)刻星敏感器的姿態(tài)四Tlit/ ；
[0009](5)根據(jù)預(yù)測(cè)姿態(tài)，解算T2時(shí)刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動(dòng)角Θ、以及預(yù)報(bào)的星像坐標(biāo)(X’，y’)，以預(yù)報(bào)星像坐標(biāo)為中心的局部范圍內(nèi)進(jìn)行星點(diǎn)掃描和質(zhì)心提取，解算得到星敏感器的實(shí)際輸出q2。;
[0010](6)利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出Q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正。
[0011]星敏感器定位中，水平基準(zhǔn)一般由平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供，然而平臺(tái)式慣導(dǎo)成本較高，同時(shí)體積和質(zhì)量較大，限制了星敏感器的應(yīng)用。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)成本低、抗振動(dòng)和沖擊的能力強(qiáng)。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)矩陣與物理平臺(tái)具有相似的物理意義，可以使星敏感器擺脫物理水平基準(zhǔn)的限制，從而降低成本和重量。已知10’’的水平基準(zhǔn)誤差會(huì)導(dǎo)致300m的定位誤差，所以本發(fā)明為提高捷聯(lián)安裝于艦船的星敏感器定位精度，用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的水平姿態(tài)作為星敏感器定位時(shí)的水平基準(zhǔn)，故而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的水平姿態(tài)精度將嚴(yán)重限制星敏感器的定位精度。由于慣性測(cè)量單元誤差隨時(shí)間積累，使得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的水平精度無(wú)法滿(mǎn)足星敏感器的需求和艦船長(zhǎng)時(shí)間航行對(duì)于導(dǎo)航精度的要求。
[0012]解決星敏感器輸出周期長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性大、航行時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題成為星敏感器應(yīng)用于艦船導(dǎo)航的關(guān)鍵。本發(fā)明根據(jù)這一背景提出了一種針對(duì)艦船長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。
[0013]本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](I)本方法利用陀螺采集艦船實(shí)時(shí)角速度，滿(mǎn)足艦船長(zhǎng)期處于搖擺狀態(tài)的要求；
[0015](2)通過(guò)對(duì)下一時(shí)刻星敏感器光軸指向的預(yù)測(cè)，指導(dǎo)星圖掃描、質(zhì)心提取、星圖匹配等工作過(guò)程的快速完成，提高星敏感器輸出頻率；
[0016](3)同時(shí)為滿(mǎn)足艦船長(zhǎng)航需求，將星敏感器和陀螺解算的姿態(tài)四元數(shù)濾波，對(duì)陀螺誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償，也避免了由于艦船搖擺使得星敏感器輸出精度下降的問(wèn)題。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1示意性示出了本發(fā)明的原理圖。圖中，^為預(yù)測(cè)的星敏感器輸出姿態(tài)四元數(shù)；Q2c為星敏感器的實(shí)際輸出姿態(tài)四元數(shù)，Qgyo為根據(jù)陀螺采集信息解算的姿態(tài)四元數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0019](I)采集T1時(shí)刻組合導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)四元數(shù)q1; T1時(shí)刻的姿態(tài)四元數(shù)即為上一個(gè)時(shí)間周期組合導(dǎo)航濾波修正后輸出的姿態(tài)。
[0020](2)陀螺提供艦船當(dāng)前時(shí)刻角速度ω。由于艦船受風(fēng)浪等不確定因素影響，艦船長(zhǎng)期處于搖擺狀態(tài)，所以由陀螺實(shí)時(shí)提供艦船的角速度。由于陀螺誤差隨時(shí)間積累，本發(fā)明在第(6)步中對(duì)陀螺進(jìn)行誤差校正，滿(mǎn)足艦船長(zhǎng)航對(duì)導(dǎo)航精度的要求。
[0021](3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角(￥進(jìn)而求得轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)S Q:
[0022]已知由T1到T2時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)角為:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是: (1)采集T1時(shí)刻組合導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)四元數(shù)qi； (2)漂移補(bǔ)償后的陀螺提供船舶當(dāng)前時(shí)刻角速度ω； (3)根據(jù)角速度求解在T2-T1時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角<分進(jìn)而求得轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)Sq; (4)根據(jù)步驟(1)、(3)信息預(yù)測(cè)T2時(shí)刻星敏感器的姿態(tài)四元數(shù)&; (5)根據(jù)預(yù)測(cè)姿態(tài)，解算T2時(shí)刻星敏感器光軸指向(A，D)、星敏感器的滾動(dòng)角Θ、以及預(yù)報(bào)的星像坐標(biāo)(X’，y’)，以預(yù)報(bào)星像坐標(biāo)為中心的局部范圍內(nèi)進(jìn)行星點(diǎn)掃描和質(zhì)心提取，解算得到星敏感器的實(shí)際輸出q2。； (6)利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述根據(jù)角速度求解在T2-T1時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)角δφ，進(jìn)而求得轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)δ q具體包括: 已知由T1到T2時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)角為:


3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述預(yù)測(cè)T2時(shí)刻的姿態(tài)四元數(shù)為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是:
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出Q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正，具體過(guò)程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過(guò)程為: 陀螺數(shù)據(jù)《I力艦船坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度在艦船坐標(biāo)系的投影，其反對(duì)稱(chēng)矩陣表示為:
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出Q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正，具體過(guò)程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過(guò)程為: 陀螺數(shù)據(jù) <為艦船坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度在艦船坐標(biāo)系的投影，其反對(duì)稱(chēng)矩陣表示為:
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正，具體過(guò)程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過(guò)程為: 陀螺數(shù)據(jù)4為艦船坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度在艦船坐標(biāo)系的投影，其反對(duì)稱(chēng)矩陣表示為:
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的針對(duì)船舶長(zhǎng)航大機(jī)動(dòng)性的星敏感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其特征是所述利用卡爾曼濾波將T2時(shí)刻陀螺解算姿態(tài)qgy。與q2。進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航的姿態(tài)輸出Q2并對(duì)陀螺誤差進(jìn)行校正，具體過(guò)程如下: 利用陀螺數(shù)據(jù)解算姿態(tài)過(guò)程為:陀螺數(shù)據(jù)必力艦船坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度在艦船坐標(biāo)系的投影，其反對(duì)稱(chēng)矩陣表示為:
【文檔編號(hào)】G01C21/02GK103791903SQ201410047864
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月11日
【發(fā)明者】高偉, 林萌萌, 姜鑫, 李佳璇, 于濱凱, 趙博, 朱明紅, 孫艷濤, 郝勤順 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)