一種船體側(cè)滑速度誤差判定補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，尤其涉及一種船體側(cè)滑速度誤差判定補償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于電磁計程儀輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來說，電磁計程儀的測速誤差嚴重影響慣導(dǎo) 系統(tǒng)性能。由于電磁計程儀的工作原理以及配置方案等原因，導(dǎo)致艦船轉(zhuǎn)彎時電磁計程儀 無法測量出艦船橫向上存在的側(cè)滑速度，這部分艦船側(cè)滑速度相當于電磁計程儀的測速誤 差，從而會使其輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)瞬時誤差增大。特別是，當艦船對船上武器系統(tǒng)中的子 慣導(dǎo)進行傳遞對準時，例如速度加姿態(tài)匹配對準，往往需要艦船作一定機動航行，此時艦船 側(cè)滑速度出現(xiàn)頻繁，將導(dǎo)致電磁計程儀輔助的主慣導(dǎo)輸出瞬時誤差變大，從而降低對準精 度。例如資料顯示，美國海軍的WSN-7A、WSN-7B等慣導(dǎo)系統(tǒng)，為匹配"戰(zhàn)斧"巡航導(dǎo)彈的初 始對準，需要對載體的側(cè)滑速度進行補償，但未闡述補償機理。國內(nèi)還未見此方面的報道， 亟需開展船體側(cè)滑速度誤差機理以及補償方法研究。
[0003] 側(cè)滑速度的補償，根據(jù)側(cè)滑速度理論表達式，最終可以歸結(jié)為側(cè)滑系數(shù)的標定本 發(fā)明主要給出了側(cè)滑速度補償判據(jù)以及側(cè)滑系數(shù)標定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種方法簡單、可靠性高的，船體側(cè)滑速度誤差判定補償方 法。
[0005] -種船體側(cè)滑速度誤差判定補償方法，包括以下步驟，
[0006] 步驟一：將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性單元固定安裝于待測船上，保證慣性單元安裝基 座軸線和船體艏艉向軸線重合；
[0007] 步驟二：使船作S型運動，在轉(zhuǎn)彎過程中保持旋轉(zhuǎn)速率不變，采集組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù) 據(jù)，包括東向速度Ve，北向速度Vn，俯仰角Q1，橫滾角θ2以及航向角Θ 3;
[0008] 步驟三：將船轉(zhuǎn)彎時記錄的船體東向速度Ve和北向速度Vjlj用姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣投影 到載體系b系上，載體系上X軸速度Vx即為船體側(cè)滑速度，載體系上y軸速度V ￥即為船體 艏艉向速度；
[0009] 步驟四：通過對組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的航向角θ3進行差分可以確定其在轉(zhuǎn)彎時的 大小#3即為船體在轉(zhuǎn)彎時的旋轉(zhuǎn)速率r。，進而確定側(cè)滑系數(shù)*其中L為船 長；
[0010] 步驟五：待測船做實際航行，實時采集船體在轉(zhuǎn)彎時的旋轉(zhuǎn)速率r、橫向加速度F 以及舵角根據(jù)三種情況進行側(cè)滑速度V = k · L · r補償；
[0011] 情況一：根據(jù)舵角^判斷是否需要引入側(cè)滑速度補償，當< =δ ^ = const>0時，需補償側(cè)滑速度；
[0012] 情況二：在船舶回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)舵階段，如果旋轉(zhuǎn)速率r和側(cè)滑加速度ι)滿足 f > 0門f > 〇Π ? 條件，則補償側(cè)滑速度，t。為給定門限時間；
[0013] 情況三：在船舶回轉(zhuǎn)運動過渡階段，首先確定滑速度范圍[-v_，v_]，再確定旋轉(zhuǎn) 速率的邊界值[-r_，r_]，當旋轉(zhuǎn)速率在邊界外時，需要補償側(cè)滑速度。
[0014] 本發(fā)明一種船體側(cè)滑速度誤差判定補償方法還可以包括：
[0015] 1、根據(jù)三種情況進行側(cè)滑速度V = k · L · r補償中，三種情況的優(yōu)先級由高到低 依次是情況一，情況二，情況三。
[0016] 2、載體系上X軸速度Vx和載體系上y軸速度V ,為：
[0019] 有益效果：
[0020] 本發(fā)明準確的判斷出何時需引入側(cè)滑速度補償，并根據(jù)標定出的側(cè)滑系數(shù)合理的 引入側(cè)滑速度補償。減小了由于電磁計程儀的工作原理以及配置方案等原因，導(dǎo)致艦船轉(zhuǎn) 彎時電磁計程儀無法測量出艦船橫向上存在的側(cè)滑速度而對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的影響。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明側(cè)滑速度誤差補償判據(jù)與方法的流程圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明船體坐標系示意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明船體受力分析示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明側(cè)滑判據(jù)分析示意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明艦船轉(zhuǎn)彎時的船體側(cè)滑速度和航向角變化（受水流影響較大）示意 圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明第一時間段艦船轉(zhuǎn)彎時的船體側(cè)滑速度和航向角示意圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明第二時間段艦船轉(zhuǎn)彎時的船體側(cè)滑速度和航向角示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0029] 本發(fā)明的目的在于判斷出應(yīng)何時引入側(cè)滑速度補償，并且給出側(cè)滑系數(shù)標定方 法。
[0030] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，如圖1所示。
[0031] 步驟一：分析水平定?；剞D(zhuǎn)運動模型，根據(jù)船體定?；剞D(zhuǎn)運動受力平衡方程推導(dǎo) 出側(cè)滑速度表達式。
[0032] 步驟二：根據(jù)各水動力參數(shù)特性，結(jié)合國際拖曳水池會議（ITTC)推薦的船舶水動 力學(xué)國際通用無因次化體系，將步驟一得到的側(cè)滑速度表達式中出現(xiàn)的水動力系數(shù)進行歸 化。
[0033] 步驟三：將根據(jù)舵角^判斷是否需要引入側(cè)滑速度補償，當式= OMSi或 =constX)時，需補償側(cè)滑速度。
[0034] 步驟四：在船舶回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)舵階段，還可以用f > 0門? > 0門r > ie作為判據(jù)， 其中#、/由慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出獲得，根據(jù)船型不同取不同的t。值。
[0035] 步驟五：在船舶回轉(zhuǎn)運動過渡階段，首先確定可接受的速度誤差范圍[-v_，v_]， 再確定航向角速率的邊界值[_r_，r_]，當航向角速率在邊界外時，需要補償側(cè)滑速度。
[0036] 步驟六：將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性單元固定安裝于待測艦船上，保證慣性單元安裝 基座軸線和船體艏艉向軸線嚴格重合。
[0037] 步驟七：采集組合導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分別是艦船東向速度Ve，北向速度Vn，以及艦船 的俯仰角S1，橫滾角θ2以及航向角Θ 3。
[0038] 步驟八：將為產(chǎn)生足夠大的側(cè)滑速度，使艦船作S型運動，注意在轉(zhuǎn)彎過程中保持 旋轉(zhuǎn)速率不變。在此過程中，記錄νΕ、νΝ、θρ θ2、θ3輸出。
[0039] 步驟九：將艦船轉(zhuǎn)彎時記錄的船體東向速度Ve和北向速度Vn利用姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣投 影到載體系b系上，載體系上X軸速度Vx即為船體側(cè)滑速度，載體系上y軸速度V y即為船 體艏艉向速度。
[0040] 步驟十：將船體在轉(zhuǎn)彎時的旋轉(zhuǎn)速率通過對組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的航向角03進 行差分可以確定其在轉(zhuǎn)彎時的大小成（即r)，船體艏艉向速度為Vy (即u)，船體側(cè)滑速度 Vx(即V)，由步驟九獲得，將所有值代入公式# = f，即可完成側(cè)滑系數(shù)k的標定。
[0041] 本研究通過對船體側(cè)滑速度進行數(shù)學(xué)建模，研究船體側(cè)滑速度對基于電磁計程儀 輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)瞬時誤差的影響機理，進而設(shè)計合適的船體側(cè)滑速度補償方案，減小 電磁計程儀測速誤差對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，從而減小系統(tǒng)輸出最大誤差。
[0042] 將艦船轉(zhuǎn)彎時記錄的船體東向速度Ve和北向速度V N利用姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣投影到載 體系b系上，即
[0046] 載體系上X軸速度Vx即為船體側(cè)滑速度，載體系上y軸速度V y即為船體艏艉向速 度。
[0047] 研究船體水平面運動時，首先假設(shè)固定坐標系原點E和坐標平面E ζ η都在船重 心G所在水平面上。因此，重心G在固定坐標系下的坐標可一般地表示為ru，0)，見 圖2。
[0048] 水平面定?；剞D(zhuǎn)運動是三自由度運動，其運動方程中有3個獨立的狀態(tài)變量。建 立運動方程所用狀態(tài)變量有多種組合可供選擇。為了得到側(cè)滑速度表達式，在此選擇下面 一組狀態(tài)：u、v、r。
[0049] 船舶所受外力，包括舵力和推進器推力在內(nèi)，嚴格地說都是水作用力。一般總是把 推進器推力和力矩與其它水作用力分開來，推進器推力記為χτ，而所有其它水作用力和力 矩都合在一起記為X、Υ、Ν。在給定的水域，在靜水條件下，對給定的船舶對象，X、Y、N將只 是狀態(tài)量和有關(guān)控制量的函數(shù)，并且是一個確定的函數(shù)。因推進器推力不包括在X、Y、N之 內(nèi)，這里需要考慮的控制量只有舵角對于選擇的狀態(tài)變量，X、Y、N可以表示為
[0050] X = X (u, V, r, δ r) (I)
[0051] Y = Y(u, v, r, δ r) (2)
[0052] N = N (u, ν, r, δ r) (3)
[0053] 圖3是船體作定?；剞D(zhuǎn)時的受力平衡關(guān)系圖。其中所使用的坐標系是船體坐標 系，X軸正方向表示船首的方向。U表示切向速度。X，Y, N是船所受的力和力矩。
[0054] 在定常回轉(zhuǎn)時切向速度U不變，故各力在切向的合力為零。各力在圓周徑向的合 力應(yīng)等于向心力因回轉(zhuǎn)角速度保持不變，故總轉(zhuǎn)矩為零。
[0055] 向心力公式的形式為
[0057] 船體坐標系鈾向的力平衡關(guān)系是
[0058] X+XT+mvr = 0 (5)
[0059] Y-mur = 0 (6)
[0060] N = O (7)
[0061] 恢復(fù)水動力的函數(shù)形式得到另一形式的水平面定?；剞D(zhuǎn)運動一般方程
[0062] X (u, V, r, δ r) +mvr+XT= 0 (8)
[0063] Y (u, v, r, δ r) -mur = 0 (9)
[006