專利名稱：基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種船用光纖陀螺測量組件在線標(biāo)定方法。具體地說，利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)輸出的高精度姿態(tài)測量參數(shù)作為外部參考信息，建立光纖陀螺測量組件的在線標(biāo)定模型，利用卡爾曼濾波技術(shù)估測出光纖陀螺測量組件的標(biāo)定參數(shù)，完成在線標(biāo)定的方法。
背景技術(shù)：
船用光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以光纖陀螺測量組件(由三個相互垂直安裝的光纖陀螺構(gòu)成)為核心的載體運動參數(shù)測量設(shè)備，所以光纖陀螺測量組件的精度直接影響整個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度。為了提高光纖陀螺測量組件的精度，一方面可以從光纖陀螺的制造工藝上著手；另一方面可以通過提高光纖陀螺測量組件的標(biāo)定精度來達(dá)到提高精度的目的。對于光纖陀螺測量組件的標(biāo)定工作，目前主要是通過基地級別的標(biāo)定來完成的， 即在實驗室中，利用三軸轉(zhuǎn)臺進(jìn)行速率實驗，位置實驗對其進(jìn)行標(biāo)定。此方法雖然可以保證標(biāo)定的精度，但是存在操作性差，成本高以及重復(fù)性誤差等問題。另外，更重要的是在光纖陀螺測量組件經(jīng)過實驗室標(biāo)定后，由于環(huán)境的變化與時間的推移，陀螺的標(biāo)定參數(shù)與基地實驗室轉(zhuǎn)臺標(biāo)定結(jié)果相比較會發(fā)生變化，這將嚴(yán)重影響光纖陀螺測量組件的性能，進(jìn)而影響整個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度，因而必須在使用一定時間后重新進(jìn)行標(biāo)定。所以根據(jù)國內(nèi)外同類產(chǎn)品的使用經(jīng)驗，目前的常規(guī)做法是在使用一定時間(3個月到6個月)后，將光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)從船舶上拆卸下來，重新進(jìn)行基地實驗室轉(zhuǎn)臺標(biāo)定。目前船舶使命任務(wù)的改變和整體性能的提高，新型船舶應(yīng)具備長期免維護、免維修的能力，這就要避免從船舶上拆卸光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)輸出作為參考信息，使用濾波方法在線估測出光纖陀螺測量組件的各標(biāo)定參數(shù)，可以完成光纖陀螺慣性測量組件的在線標(biāo)定任務(wù)，避免了定期拆卸光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，改善了船舶的可維修性和可維護性。在CNKI中關(guān)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在線標(biāo)定的文章有4篇，分別是《基于安裝方式激勵的捷聯(lián)慣導(dǎo)在線標(biāo)定算法研究及仿真分析》，主要是分析慣性測量單元機載安裝方式對在線標(biāo)定的影響，并提出基于安裝方式激勵的捷聯(lián)慣導(dǎo)在線標(biāo)定算法。《基于組合導(dǎo)航技術(shù)的光纖捷聯(lián)系統(tǒng)在線標(biāo)定》，主要研究利用速度和位置信息作為外參考信息，進(jìn)行在線標(biāo)定。《聯(lián)邦濾波器在車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定中的應(yīng)用》，主要研究在車載環(huán)境中，利用 GPS、航位推算系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行組合，利用一定的路徑設(shè)計對待標(biāo)定誤差進(jìn)行激勵，達(dá)到在線標(biāo)定的目的。《捷聯(lián)慣性測量組合標(biāo)定的仿真研究》，主要研究激光陀螺的在線標(biāo)定方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能提高光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度，避免定期拆卸光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，改善了船舶的可維修性和可維護性，操作簡單、方便，成本低的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)作為參考測量基準(zhǔn)系統(tǒng)，待標(biāo)定的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為待測系統(tǒng)，利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的姿態(tài)信息作為外部參考信息，在捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)間的姿態(tài)信息傳遞過程中，利用濾波器，由三個相互垂直安裝的光纖陀螺構(gòu)成的光纖陀螺測量組件的待標(biāo)定參數(shù)誤差被估測并予以補償。本發(fā)明針對船用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基地實驗室標(biāo)定存在的缺點，根據(jù)船用光纖陀螺測量組件隨船舶海上在線標(biāo)定的要求，利用船用移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)提供的信息作為參考，建立船用光纖陀螺的在線標(biāo)定模型，利用濾波方法完成船用光纖陀螺慣性測量組件的在線標(biāo)定任務(wù)。本發(fā)明技術(shù)具有以下優(yōu)點在不需要三軸轉(zhuǎn)臺等大型基地級別測試設(shè)備的情況下，利用船用移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)輸出的信息作為外參考信息，通過濾波手段在線估測出光纖陀螺測量組件的安裝誤差、刻度因數(shù)誤差以及常值漂移誤差這三項，從而完成船用光纖陀螺儀的在線標(biāo)定任務(wù)。這種在線標(biāo)定方法提高了光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度，避免了定期拆卸光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，改善了艦船的可維修性和可維護性。相對于傳統(tǒng)的基地級別標(biāo)定，還具有操作簡單、方便，成本低的優(yōu)勢。動態(tài)條件下在線標(biāo)定光纖陀螺測量組件標(biāo)定參數(shù)的仿真試驗結(jié)果。試驗條件(1)光纖陀螺儀中的待標(biāo)定參數(shù)如下三軸的不垂直安裝而引起的安裝誤差
m (0.01 「0.01 0.01 「0.01 0.01 Γθ 1|Γ三軸刻度因數(shù)誤差
A (0.01 0.01 0.01 f三軸常值漂移誤差
ε (0.001745 Γθ.003491 0.005236廣(2)轉(zhuǎn)臺可以模擬規(guī)則海浪周期運動以及瞬時運動。試驗過程利用三軸轉(zhuǎn)臺(可模擬橫搖、縱搖、艏艉搖運動)模擬艦船周期運動。 將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與光纖陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)臺臺面上。轉(zhuǎn)臺進(jìn)行橫搖幅值為 5度、周期5秒，縱搖幅值為2度、周期3秒，艏艉搖幅值為10度、周期7秒的搖擺運動。利用本發(fā)明提供的技術(shù)對光纖陀螺測量組件在線標(biāo)定。實驗所得結(jié)果證明對于安裝誤差，其標(biāo)定結(jié)果誤差低于5% (I實測值-真實值I/真實值)；對于刻度因數(shù)誤差，其標(biāo)定結(jié)果誤差低于6% (I實測值-真實值I/真實值)；對于常值漂移誤差， 其標(biāo)定結(jié)果誤差低于4% (I實測值-真實值I/真實值)。安裝誤差角的估測在600秒后趨于穩(wěn)定，刻度因數(shù)誤差估測在300秒后趨于穩(wěn)定，常值漂移誤差估測在200秒后趨于穩(wěn)定。


圖1光纖陀螺儀在線標(biāo)定流程圖。圖2進(jìn)行橫搖幅值為5度、振蕩周期5秒，縱搖幅值為2度、振蕩周期3秒，艏艉搖幅值為10度、振蕩周期7秒的搖擺運動時，得到光纖陀螺安裝誤差角估計誤差。圖3進(jìn)行橫搖幅值為5度、振蕩周期5秒，縱搖幅值為2度、振蕩周期3秒，艏艉搖幅值為10度、振蕩周期7秒的搖擺運動時，得到光纖陀螺標(biāo)定因數(shù)誤差估計誤差。圖4進(jìn)行橫搖幅值為5度、振蕩周期5秒，縱搖幅值為2度、振蕩周期3秒，艏艉搖幅值為10度、振蕩周期7秒的搖擺運動時，得到光纖陀螺常值漂移誤差估計誤差。
具體實施例方式本實施方式中，移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)作為參考測量基準(zhǔn)系統(tǒng)，待標(biāo)定的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為待測系統(tǒng)，利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的姿態(tài)信息作為外部參考信息，在捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)間的姿態(tài)信息傳遞過程中，利用濾波器，光纖陀螺測量組件(由三個相互垂直安裝的光纖陀螺構(gòu)成)的待標(biāo)定參數(shù)誤差被估測并予以補償。光纖陀螺測量組件的在線標(biāo)定技術(shù)包括如下具體步驟步驟1、將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)通電進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備和初始對準(zhǔn)，之后進(jìn)入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)；步驟2、將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)安裝于待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)附近預(yù)留的安裝基座，并將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)和待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜相連通，確保移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的信息傳輸通暢；步驟3、待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備；步驟4、將初始位置參數(shù)手工裝訂至光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航計算機，所述的初始位置參數(shù)包括初始的經(jīng)度、緯度；步驟5、光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始對準(zhǔn)；步驟6、光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)，輸出三個光纖陀螺的采樣值。 所述的光纖陀螺采樣值為ω 1約ωγ ωζψο ；步驟7、進(jìn)行姿態(tài)參數(shù)傳遞，將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)輸出的姿態(tài)量測信息通過數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸至光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；所述的姿態(tài)量測信息包括航向角Ψ、縱搖角Θ、橫搖角Υ ；步驟8、利用步驟7得到的姿態(tài)量測信息獲得實時更新的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣C6"cos/COSl^ J sin/sinl/^sine sinl/^cos0 sin7cosfcos7sinl^sin0 * Cl ^ fcos/sinl^ J sin 7 COSl^ sin θ cos cos θ fsin/sinl^ fcos/cosl^sine ^ ^fsin/cos^sin θcos 7 cos θ)步驟9、利用步驟8得到的^；“得到捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)系統(tǒng)的參考四元數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法，其特征是移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)作為參考測量基準(zhǔn)系統(tǒng)，待標(biāo)定的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為待測系統(tǒng)，利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的姿態(tài)信息作為外部參考信息，在捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)間的姿態(tài)信息傳遞過程中，利用濾波器，由三個相互垂直安裝的光纖陀螺構(gòu)成的光纖陀螺測量組件的待標(biāo)定參數(shù)誤差被估測并予以補償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法， 其特征是包括如下具體步驟步驟1、將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)通電進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備和初始對準(zhǔn)，之后進(jìn)入正常導(dǎo)航工作狀態(tài)；步驟2、將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)安裝于待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)預(yù)留的安裝基座， 并將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)和待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)傳輸電纜相連通；步驟3、待標(biāo)定光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備；步驟4、將初始位置參數(shù)裝訂至光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航計算機；步驟5、光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始對準(zhǔn)；步驟6、光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入導(dǎo)航工作狀態(tài)，輸出三個光纖陀螺的采樣值，所述的光纖陀螺采樣值為ω Ιωχ ωγ ωζψο ；步驟7、進(jìn)行姿態(tài)參數(shù)傳遞，將移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)輸出的姿態(tài)量測信息通過數(shù)據(jù)傳輸電纜傳輸至光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；所述的姿態(tài)量測信息包括航向角Ψ、縱搖角Θ、橫搖角γ ；步驟8、利用步驟7得到的姿態(tài)量測信息獲得實時更新的捷聯(lián)姿態(tài)矩陣C6"cos/cosi/a J sin/sini/Asine sini/Acos0 sin/cosi/A fcos/sini/Asine * Cl ^ fcos/sini/A J sin/cosi/Asin^ οο^ψ cos θ fsin/sini/A f cosy οο^ψ sine} ^fsin/cos^sin θcos/cos θ),步驟9、利用步驟8得到的^；“得到捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)系統(tǒng)的參考四元數(shù)Ir ^lr Ilr^r \其中◎小 Γql Γql Γqiq2r' q3r' q4r的絕對值為|禮| ◎去挪 Cc22 Cc33Ccu J C22 Cc33 Tc11 Cc22Jc33q2r' q3r' q4r的符號為sign jq2r sign f32 fC23sign )q3r \ sign jci3 fC31 |
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法， 其特征是步驟10中Kalman濾波器中的系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測方程如下
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法，其特征是步驟11過程可由下式表示ω~ ω f υ其中補償標(biāo)定參數(shù)后的光纖陀螺采樣值為ω^^ωτ ω~ ωζ《，光纖陀螺測量組件原采樣值為《 彳吟(Oy碎^，補償項_由下式確定 DM其中M由估測出的光纖陀螺測量組件標(biāo)定參數(shù)確定M 1 mxz myX myZ mzx K K K εχ ey εζ ‘。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法，其特征是步驟10中，Kalman濾波器工作結(jié)束的評判標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為將步驟9得到的C^與估測四元數(shù)q 作差并取其絕對值k ^ii 當(dāng)qr與q差的絕對值小于0. 0001時，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman濾波器工作結(jié)束，否則重新執(zhí)行步驟7到步驟10，直到滿足上述條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法， 其特征是步驟10中，Kalman濾波器工作結(jié)束的評判標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為將步驟9得到的C^與估測四兀數(shù)q 作差并取其絕對值k ^ii 當(dāng)qr與q差的絕對值小于0. 0001時，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman濾波器工作結(jié)束，否則重新執(zhí)行步驟7到步驟10，直到滿足上述條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法， 其特征是步驟10中，Kalman濾波器工作結(jié)束的評判標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為將步驟9得到的C^與估測四兀數(shù)q 作差并取其絕對值k ^ii 當(dāng)qr與q差的絕對值小于0. 0001時，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman濾波器工作結(jié)束，否則重新執(zhí)行步驟7到步驟10，直到滿足上述條件。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于移動捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的船用光纖陀螺組件在線標(biāo)定方法。移動式捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)作為參考測量基準(zhǔn)系統(tǒng)，待標(biāo)定的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為待測系統(tǒng)，利用捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)的姿態(tài)信息作為外部參考信息，在捷聯(lián)航姿基準(zhǔn)與光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)間的姿態(tài)信息傳遞過程中，利用濾波器，由三個相互垂直安裝的光纖陀螺構(gòu)成的光纖陀螺測量組件的待標(biāo)定參數(shù)誤差被估測并予以補償。本發(fā)明的在線標(biāo)定方法提高了光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度，避免了定期拆卸光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，改善了船舶的可維修性和可維護性。相對于傳統(tǒng)的基地級別標(biāo)定，還具有操作簡單、方便，成本低的優(yōu)勢。
文檔編號G01C25/00GK102155957SQ20111006748
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者于飛, 奔粵陽, 孫楓, 李倩, 高偉 申請人:哈爾濱工程大學(xué)