本發(fā)明主要涉及陀螺導航，尤其是一種電磁計程儀輔助船用陀螺羅經(jīng)行進間對準方法。

背景技術(shù)：

捷聯(lián)慣性導航行進間初始對準是指載體在運動過程中完成慣性導航系統(tǒng)初始對準的技術(shù)，因此，它是動基座初始對準技術(shù)的一種。慣性導航行進間初始對準技術(shù)對于增強載體的機動能力和快速反應能力具有不可估量的意義和作用。

與傳統(tǒng)的靜基座初始對準環(huán)境不同，一方面在載體運動狀態(tài)下，載體的位置、速度、加速度以及角速度都在不斷地發(fā)生變化，因而對初始對準將產(chǎn)生影響；另一方面，線運動會使慣性導航基本方程中的對地加速度、哥式加速度等參量時刻變化，因此在運動狀態(tài)下無法利用加速度計輸出數(shù)據(jù)測得重力加速度的精確信息；運動條件下載體振動使得干擾角速度具有很寬的頻帶，陀螺儀輸出信號信噪比較低，無法從陀螺儀輸出數(shù)據(jù)中將地球自轉(zhuǎn)角速度這一對準的有用信息提取出來。

因此，傳統(tǒng)的羅經(jīng)法對準不適合行進間對準，在載體運動條件下，不能單純的依靠陀螺儀和加速度計的直接測量信息進行初始對準。并且，現(xiàn)有的加速度補償方法采用電磁計程儀速度的微分。由于低采樣頻率，積分誤差的存在，這種方法不適合于高精度的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明旨在提供一種電磁計程儀輔助船用陀螺羅經(jīng)行進間對準方法，引入測距、測速信息，以補償運動過程中有害加速度對初始對準精度的影響。

技術(shù)方案：一種電磁計程儀輔助船用陀螺羅經(jīng)行進間對準方法，包括如下步驟：北向加速度輸入與北向?qū)驶芈贩答伭窟M入第一比較器后經(jīng)積分環(huán)節(jié)進入第二比較器，第二比較器中加入初始速度并減去參考速度，再經(jīng)過修正環(huán)節(jié)后分為北向?qū)驶芈泛头轿粚驶芈?，所述修正環(huán)節(jié)包括第一慣性環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)；

在北向?qū)驶芈分薪?jīng)過第一比例環(huán)節(jié)后進入第三比較器再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后輸出東向失準角，同時與重力加速度相乘后作為北向?qū)驶芈贩答伭浚?/p>

在方位對準回路中經(jīng)過第二慣性環(huán)節(jié)和第二比例環(huán)節(jié)后進入第四比較器，再通過積分環(huán)節(jié)后輸出方位失準角，同時與羅經(jīng)項相乘后作為北向?qū)驶芈纷饔弥担?/p>

所述第三比較器中加入陀螺漂移在導航坐標中東向上的投影并減去第一控制角速率和北向?qū)驶芈纷饔弥担?/p>

所述第四比較器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在導航坐標中天向上的投影。

進一步的，所述北向加速度輸入包括北向加速度與加速計偏置在導航坐標系中北向的投影。

進一步的，所述參考速度為電磁計程儀通過外測速得到的參考速度V_rN：

V_rN＝V_N+δV_rN

其中，V_N為北向速度，δV_rN為電磁計程儀的測量速度誤差。

進一步的，第一慣性環(huán)節(jié)為1/(s+k₁)，第二慣性環(huán)節(jié)為1/(s+k₂)，第一比例環(huán)節(jié)為k_N，第二比例環(huán)節(jié)k_U；其中k₁,k₂,k_N,k_U均為羅經(jīng)對準回路的系統(tǒng)參數(shù)，具體選擇如下：

式中，ω_n,ξ分別為振蕩頻率和阻尼系數(shù)，g為重力加速度，ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，為當?shù)鼐暥取?/p>

進一步的，第一控制角速率、第二控制角速率分別為其角速率控制方程為：

其中，fⁿ為導航坐標系中加速度計的輸出，為其在導航坐標系中北向的投影，A_N為北向加速度，V_E,V_N分別為東向和北向速度，R為地球半徑。

進一步的，所述導航坐標系中加速度計的輸出

其中，Aⁿ為艦船在導航坐標系中的加速度，分別為地球自轉(zhuǎn)角速度和位置速率在n系的投影：

進一步的，所述羅經(jīng)項為ω_ie其中ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，為當?shù)鼐暥取?/p>

有益效果：本發(fā)明首先在傳統(tǒng)靜基座羅經(jīng)法對準的結(jié)構(gòu)中加入速度和加速度，然后再進行加速度影響的誤差分析，最后利用電磁計程儀輸出的參考速度對行進間羅經(jīng)法對準進行加速度補償，最終實現(xiàn)高精度的姿態(tài)對準和位置導航。本發(fā)明不僅適合于靜態(tài)或者系泊的艦船，還能夠適用于航行中的艦船進行羅經(jīng)法對準，在工程中的運用具有一定得參考價值；利用電磁計程儀追蹤艦船的機動速度，并且通過加速度測量補償來消除地球自轉(zhuǎn)角速度轉(zhuǎn)換到導航坐標系的誤差，即可實現(xiàn)艦船用捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)行進間精對準問題，大大提高了載體機動能力，是行之有效的行進間初始對準方法。

附圖說明

圖1為北向四階羅經(jīng)法對準回路的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為加速度為常值時的仿真結(jié)果圖；

圖3為加速度為周期性信號時的仿真結(jié)果圖；

圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖5a、5b分別為情況A時傳統(tǒng)方法方位失準角、水平失準角的結(jié)果圖；

圖6a、6b分別為情況A時本發(fā)明方位失準角、水平失準角的結(jié)果圖；

圖7a、7b分別為情況B時傳統(tǒng)方法方位失準角、水平失準角的結(jié)果圖；

圖8a、8b分別為情況B時本發(fā)明方位失準角、水平失準角的結(jié)果圖。

具體實施方式

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本技術(shù)方案進行詳細說明。

(1)建立捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)的行進間羅經(jīng)法對準結(jié)構(gòu)：

為了分析航海用捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)行進間羅經(jīng)法對準，在傳統(tǒng)靜基座下的羅經(jīng)法對準結(jié)構(gòu)圖中加入了速度和加速度。北向四階羅經(jīng)法對準回路的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中，g是重力加速度，ω_ie為地球自轉(zhuǎn)角速度，ε_E，ε_U分別為陀螺漂移在導航坐標系中東向和天向上的投影，A_N是北向加速度，當船靜止時，其值等于0，ΔA_N是加速計偏置在導航坐標系中北向的投影，為當?shù)鼐暥龋?γ分別為東向和方位失準角，k₁,k₂,k_N,k_U分別為羅經(jīng)對準回路的系統(tǒng)參數(shù)，為控制角速率，其用來調(diào)節(jié)捷聯(lián)姿態(tài)矩陣至適當值。

羅經(jīng)法對準的關鍵是設計控制角速率，從圖1可得角速率控制方程：

式中，fⁿ為導航坐標系中加速度計的輸出，為其在導航坐標系中北向的投影。如果是靜基座下羅經(jīng)法對準，fⁿ應該是重力加速度和加速度計偏置之和。但是當在航行中的艦船中使用羅經(jīng)法對準時，加速度計的輸出應該如下：

式中，Aⁿ艦船在導航坐標系中的加速度，分別為地球自轉(zhuǎn)角速度在n系的投影和位置速率在n系的投影。

式中，V_E,V_N分別為東向和北向速度，R為地球半徑。當羅經(jīng)法對準在靜基座下執(zhí)行時，是由初始位置決定的常值向量，Aⁿ和都為0。因此當計算控制角速率時他們的影響可以忽略。當艦船在海上航行時，變成一個變量并且Aⁿ和不再等于0。當用加速計輸出來計算控制角速率時，他們應該被補償?shù)簟?/p>

從上面的兩個式子可知，對于計算控制角速率，加速度、速度和緯度是必要的。速度不是包含在羅經(jīng)對準回路中的，因此來自輔助傳感器的外速度是必要的。通常，電磁計程儀被作為輔助傳感器來提供載體坐標系中y軸的速度。當捷聯(lián)姿態(tài)矩陣是從粗對準獲得的，我們可以將電磁計程儀的速度從載體坐標系轉(zhuǎn)到導航坐標系中，從而很容易地獲得導航坐標系中的速度。然后我們對導航坐標系中的速度進行積分從而實時更新當?shù)鼐暥取?/p>

可以用電磁計程儀速度的加速度計輸出來補償?shù)桥灤募铀俣華ⁿ仍然存在于加速度計輸出中并且有待補償。

(2)加速度影響誤差分析

從以上分析所知，為了把靜基座下羅經(jīng)對準擴展到動基座下羅經(jīng)對準，應該考慮艦船的加速度。這部分我們將分析艦船加速度對羅經(jīng)對準的影響。

根據(jù)圖1，北向加速度與東向失準角，方位失準角之間的傳遞函數(shù)可以表示如下：

羅經(jīng)對準回路的系統(tǒng)參數(shù)可以選擇如下：

式中，ω_n,ξ分別為振蕩頻率和阻尼系數(shù)。把系統(tǒng)參數(shù)代入北向加速度與東向失準角，方位失準角之間的傳遞函數(shù)可得

通過觀察上式，我們發(fā)現(xiàn)北向加速度A_N(s)對東向失準角的影響可以分成兩部分。第一部分是一個二階的臨界阻尼系統(tǒng)

另外一個是一個二階阻尼系統(tǒng)

根據(jù)二階系統(tǒng)的時域相應特性，我們可以得到如下的結(jié)論。當北向加速度是階躍信號時，α(s)不但有瞬態(tài)誤差，還有穩(wěn)態(tài)誤差。隨著加速度幅度的增大，α(s)同時增大。當北向加速度是周期信號時，α(s)將會振蕩，幅度與加速度成正比。

為了詳細觀察不同種類的加速度的時域相應特性，對其進行了仿真實驗。羅經(jīng)對準回路參數(shù)選擇如下：ξ＝0.707,ω_n＝0.08。北向加速度設置成恒定的形式和周期的形式，A_N(t)＝V₀(V₀分別為0.1m/s²,0.5m/s²,1.5m/s²)和A_N(t)＝V₀sin(ωt)(V₀分別為0.1m/s²,0.5m/s²,1.5m/s²,ω＝π/4)。羅經(jīng)對準對這些加速度的相應如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，當加速度為常值時，東向失準角存在瞬態(tài)誤差和穩(wěn)態(tài)誤差，且誤差與加速度的大小成正比。當加速度為1.5m/s²時，最大誤差為11.45°，并且穩(wěn)態(tài)誤差為8.78°。當加速度是周期信號時，東向失準角按照與加速度相同的頻率振蕩。當加速度的幅值為1.5m/s²，最大誤差大概為0.68°，并且相應的穩(wěn)態(tài)誤差幅值為0.13°。不管哪種形式的加速度，都對羅經(jīng)對準系統(tǒng)有負面影響。兩種形式的加速度對方位失準角的影響亦然。

基于上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)艦船加速度對羅經(jīng)法對準有很大的影響。為了實現(xiàn)動基座羅經(jīng)法對準，必須考慮加速度的影響。

(3)羅經(jīng)法對準的加速度補償

目前加速度補償方法采用電磁計程儀速度的微分。由于低采樣頻率，積分誤差的存在，這種方法不適合于高精度的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)。

根據(jù)用電磁計程儀速度補償?shù)淖枘峤萋?lián)慣性導航系統(tǒng)的原理，提出了一種對羅經(jīng)對準的加速度補償方法。將來自于電磁計程儀的參考速度引入到羅經(jīng)對準回路中，同時考慮初始速度V₀，經(jīng)過加速度補償?shù)牧_經(jīng)對準的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在圖4中，北向加速度輸入與北向?qū)驶芈贩答伭窟M入第一比較器后經(jīng)積分環(huán)節(jié)進入第二比較器，北向加速度輸入包括北向加速度與加速計偏置在導航坐標系中北向的投影，第二比較器中加入初始速度并減去參考速度，再經(jīng)過修正環(huán)節(jié)后分為北向?qū)驶芈泛头轿粚驶芈?，修正環(huán)節(jié)包括第一慣性環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)；

在北向?qū)驶芈分薪?jīng)過第一比例環(huán)節(jié)后進入第三比較器再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后輸出東向失準角，同時與重力加速度相乘后作為北向?qū)驶芈贩答伭浚?/p>

在方位對準回路中經(jīng)過第二慣性環(huán)節(jié)和第二比例環(huán)節(jié)后進入第四比較器，再通過積分環(huán)節(jié)后輸出方位失準角，同時與羅經(jīng)項相乘后作為北向?qū)驶芈纷饔弥担?/p>

第三比較器中加入陀螺漂移在導航坐標中東向上的投影并減去第一控制角速率和北向?qū)驶芈纷饔弥担?/p>

第四比較器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在導航坐標中天向上的投影。

第一慣性環(huán)節(jié)為1/(s+k₁)，第二慣性環(huán)節(jié)為1/(s+k₂)，第一比例環(huán)節(jié)為k_N，第二比例環(huán)節(jié)k_U；其中k₁,k₂,k_N,k_U均為羅經(jīng)對準回路的系統(tǒng)參數(shù)，具體選擇如下：

V_rN是電磁計程儀通過外測速得到的參考速度，比較圖1和圖4可知羅經(jīng)對準回路輸入后的慣性環(huán)節(jié)1/(s+k₁)被一積分環(huán)節(jié)代替。除此之外，修正環(huán)節(jié)s/(s+k₁)被引入到回路中從而使新系統(tǒng)與原系統(tǒng)是等價的。加速度的積分加上初始速度V₀以及參考速度V_rN可以減小加速度對羅經(jīng)對準的負面影響。

電磁計程儀測量不可避免地存在速度誤差，δV_rN為電磁計程儀的測量速度誤差，來自于電磁計程儀的參考速度可以寫成北向速度和速度誤差之和：

V_rN＝V_N+δV_rN

基于圖4，東向失準角和艦船真實加速度，即北向加速度A_N之間的傳遞函數(shù)如下

α(s)＝0·A_N(s)

考慮到和上式之間的關系，我們推導出東向失準角和δV_rN的傳遞函數(shù)如下

同理，方位失準角γ(s)與A_N，δV_rN之間的傳遞函數(shù)如下

觀察上面三式，我們發(fā)現(xiàn)α(s)和γ(s)都與北向加速度A_N無關。也就是說，在這種羅經(jīng)法對準中，加速度對失準角沒有影響。東向失準角與北向失準角有相同的結(jié)果。盡管該方法中電磁計程儀的測量誤差會對羅經(jīng)法對準產(chǎn)生消極的影響，相比如傳統(tǒng)方法中艦船加速度的影響其影響微乎其微。

陀螺和加速度計數(shù)據(jù)由捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)仿真器產(chǎn)生的。為了清楚地觀察加速度的影響，陀螺漂移和加速度計偏置都設置為0。羅經(jīng)法對準回路參數(shù)設置如下：ξ＝0.707，ω_n＝0.08。假設已經(jīng)完成粗對準，并且失準角分別為0.1°,0.1°,0.5°。艦船的初始速度為1m/s，然后艦船分別按A、B兩種情況在海上航行。

驗證情況1：在t＝7min時，艦船以0.5m/s²的加速度行駛10s。兩種方法的性能分別如圖5a、5b、6a、6b所示?；诩铀俣扔绊懙恼`差分析可知，當艦船加速時，水平和方位失準角會產(chǎn)生波動，尤其是方位角，其會在120°和-210°之間波動。但是在運用本發(fā)明提出的方法之后，水平失準角小于0.002°，方位失準角小于0.12°。

驗證情況2：艦船一直以周期性的加速度0.5sin(πt/4)(m/s²)在海上行駛。圖7a、7b、8a、8b給出了在周期性加速度作用下水平和方位失準角的結(jié)果。與此同時，本發(fā)明所提出的方法有效地減小了失準角。

無論哪種形式的加速度，通過進一步觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)過速度和加速度補償之后，失準角依然存在殘留誤差。從理論上講，由于艦船機動引起的加速度完全可以通過本發(fā)明提出的方法補償?shù)?。因為電磁計程儀測量的參考速度是沿著載體坐標系y軸方向上的，粗對準之后，通過姿態(tài)矩陣其被轉(zhuǎn)到導航坐標系中，盡管電磁計程儀輸出是精確的，但是參考速度依然存在轉(zhuǎn)換誤差。

應理解以上實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。