專利名稱：一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量方法，尤其涉及的是一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法。
背景技術(shù)：
在捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，所有的慣性測(cè)量元件直接安裝在載體上，慣性元件輸出的就是載體相對(duì)于慣性空間的角速度和加速度，由計(jì)算機(jī)將載體坐標(biāo)系下測(cè)得的加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系再進(jìn)行導(dǎo)航解算，相當(dāng)于利用陀螺儀輸出數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)作為導(dǎo)航計(jì)算的參考。由于捷聯(lián)系統(tǒng)沒(méi)有平臺(tái)框架及相連的伺服機(jī)構(gòu)，因而簡(jiǎn)化了硬件，與平臺(tái)慣導(dǎo)相比具有體積小、重量輕、成本低、可靠性比較高等優(yōu)點(diǎn)。正是由于以上優(yōu)點(diǎn)，它在航空、航天、航海和很多民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一種自校正方法。調(diào)制型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在捷 聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的外面加上轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和測(cè)角裝置，導(dǎo)航解算仍采用捷聯(lián)慣導(dǎo)算法。它不需要引入外部校正信息，能夠自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)中慣性器件的常值偏差進(jìn)行平均，達(dá)到抵消漂移對(duì)系統(tǒng)精度的影響。因而可以提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的精度，充分發(fā)揮慣性導(dǎo)航“自主式”的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，還可以應(yīng)用較低精度的慣性器件，構(gòu)成較高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，有利于降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本，同時(shí)由于引入外界運(yùn)動(dòng)可以有效地提高慣導(dǎo)系統(tǒng)部分參數(shù)的可觀測(cè)度。初始姿態(tài)誤差是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要的誤差源之一，初始姿態(tài)的誤差對(duì)系統(tǒng)誤差的影響不僅表現(xiàn)在姿態(tài)指標(biāo)上，而且表現(xiàn)在速度和位置信息的獲取上。初始姿態(tài)確定的精度直接影響著導(dǎo)航的精度。按基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分，慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始姿態(tài)確定方法可以分為兩類，即靜基座初始姿態(tài)確定和動(dòng)基座初始姿態(tài)確定。所謂靜基座初始姿態(tài)確定是指慣性測(cè)量組合在載體完全靜止的情況下確定載體的初始姿態(tài)信息。目前，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟，通過(guò)多位置法和卡爾曼濾波已經(jīng)能夠達(dá)到相當(dāng)高的精度。但是，靜基座初始姿態(tài)確定技術(shù)對(duì)于眾多的機(jī)載和艦載武器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)不能適應(yīng)它們快速反應(yīng)的要求，所以當(dāng)前研究的重點(diǎn)主要集中在動(dòng)基座初始姿態(tài)確定方法。所謂動(dòng)基座初始姿態(tài)確定是指慣性測(cè)量組合在載體運(yùn)動(dòng)或者外界擾動(dòng)的情況下完成。其難點(diǎn)在于構(gòu)造快速、穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)的濾波器，并且對(duì)濾波器狀態(tài)的可觀測(cè)性和可觀測(cè)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而設(shè)計(jì)最優(yōu)濾波器。根據(jù)使用外部信息的情況，可以將動(dòng)基座初始姿態(tài)確定方法分為三類外部阻尼式、傳遞式和外部輔助姿態(tài)信息式。濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)濾波器屬于經(jīng)典濾波器，即假定輸入信號(hào)中的有用成分和希望除去的成分各自占有不同的頻帶。這種假定在一定程度上符合了客觀規(guī)律，對(duì)于高通濾波器來(lái)說(shuō)，采樣序列的高頻部分包含有用信號(hào)，而低頻部分則主要是由舒勒周期振蕩控制。因此通過(guò)設(shè)計(jì)合理的高通濾波器，就可以達(dá)到去除舒勒周期振蕩的目的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于采用慣性測(cè)量單元單軸四位置轉(zhuǎn)停，提出載體瞬時(shí)速度的提取方法，根據(jù)瞬時(shí)速度的誤差特性，采用無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字高通濾波器濾除載體速度中的舒勒周期，將濾波后的速度信息和慣導(dǎo)解算出的速度信息作差后作為系統(tǒng)的觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合姿態(tài)，其具體步驟如下(I)通過(guò)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中；(2)調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
(3) IMU采用4個(gè)轉(zhuǎn)停次序?yàn)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案(如附圖
2);次序1，MU由位置A出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置B，并在位置B停留時(shí)間Ts ;次序2，IMU由位置B出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)位置C，并在位置C停留時(shí)間Ts ;次序3，IMU由位置C出發(fā)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置D，在位置D停留時(shí)間Ts ;次序4，MU由位置D出發(fā)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到位置A，并在位置A停留時(shí)間Ts ;然后按照次序I 4的順序循環(huán)運(yùn)動(dòng)。IMU每次轉(zhuǎn)動(dòng)180°或90°間隔進(jìn)行。從一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)180°到對(duì)稱位置，在這兩個(gè)相互對(duì)稱的位置上，水平方向上慣性敏感元件的常值漂移在進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算的時(shí)候能夠相互抵消掉。通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)另外一個(gè)新位置。(4)將加速度計(jì)的輸出轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系，利用調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)提取載體瞬時(shí)線速度信息；I)引入載體半固定坐標(biāo)系以艦船重心為載體半固定坐標(biāo)系原點(diǎn)，縱軸OYd指向艦船的主行向方向，橫軸OXd垂直于縱軸平行于水平面，在艦船無(wú)縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)指向右舷方向。垂直軸OZd與前兩軸垂直，沿船只豎軸向上為正(如附圖3)。其中 '為主航向角，Y角為航向搖擺角(即艏搖角定義其與主航向角同向?yàn)檎?。載體半固定坐標(biāo)系的引入使得測(cè)量結(jié)果和角運(yùn)動(dòng)基本脫離，可以準(zhǔn)確地描述艦船的瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)，因此采用載體半固定坐標(biāo)系作為研究艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)或稱為平動(dòng)的基礎(chǔ)坐標(biāo)系。2)建立慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣首先建立載體坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系之間相差三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，可視為半固定坐標(biāo)系經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)后與載體坐標(biāo)系重合，三個(gè)角度分別為縱搖角α、橫搖角β及艏搖角
Y(如附圖4)。載體坐標(biāo)系(b系)轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系(d系)的方向余弦矩陣<。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于包括以下步驟 (1)通過(guò)GPS確定載體的初始位置參數(shù)，將它們裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中； (2)調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱準(zhǔn)備，采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； (3)IMU采用4個(gè)轉(zhuǎn)停次序?yàn)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案(如附圖2); 次序1，IMU由位置A出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置B，并在位置B停留時(shí)間Ts ;次序·2，MU由位置B出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)位置C，并在位置C停留時(shí)間Ts ;次序3，MU由位置C出發(fā)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置D，在位置D停留時(shí)間Ts;次序4，MU由位置D出發(fā)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到位置A，并在位置A停留時(shí)間Ts ;然后按照次序I 4的順序循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
IMU每次轉(zhuǎn)動(dòng)180°或90°間隔進(jìn)行。從一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)180°到對(duì)稱位置，在這兩個(gè)相互對(duì)稱的位置上，水平方向上慣性敏感元件的常值漂移在進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算的時(shí)候能夠相互抵消掉。通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)另外一個(gè)新位置。
(4)將加速度計(jì)的輸出轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系，利用調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)提取載體瞬時(shí)線速度信息； 1)引入載體半固定坐標(biāo)系 以艦船重心為載體半固定坐標(biāo)系原點(diǎn)，縱軸OYd指向艦船的主行向方向，橫軸OXd垂直于縱軸平行于水平面，在艦船無(wú)縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)指向右舷方向。垂直軸OZd與前兩軸垂直，沿船只豎軸向上為正(如附圖3)。其中 '為主航向角，Y角為航向搖擺角(即艏搖角定義其與主航向角同向?yàn)檎?。載體半固定坐標(biāo)系的引入使得測(cè)量結(jié)果和角運(yùn)動(dòng)基本脫離，可以準(zhǔn)確地描述艦船的瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)，因此采用載體半固定坐標(biāo)系作為研究艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)或稱為平動(dòng)的基礎(chǔ)坐標(biāo)系。
2)建立慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣 首先建立載體坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系之間相差三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，可視為半固定坐標(biāo)系經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)后與載體坐標(biāo)系重合，三個(gè)角度分別為縱搖角a、橫搖角P及艏搖角Y (如附圖4)。載體坐標(biāo)系(b系)轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系(d系)的方向余弦矩陣C/。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的IMU采用4個(gè)轉(zhuǎn)停次序?yàn)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)周期的轉(zhuǎn)位方案，具體包括如下步驟 次序1，IMU由位置A出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置B，并在位置B停留時(shí)間Ts ;次序2，MU由位置B出發(fā)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)位置C，并在位置C停留時(shí)間Ts ;次序3，MU由位置C出發(fā)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°到位置D，在位置D停留時(shí)間Ts;次序4，MU由位置D出發(fā)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到位置A，并在位置A停留時(shí)間Ts ;然后按照次序I 4的順序循環(huán)運(yùn)動(dòng)。
IMU每次轉(zhuǎn)動(dòng)180°或90°間隔進(jìn)行。從一個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)180°到對(duì)稱位置，在這兩個(gè)相互對(duì)稱的位置上，水平方向上慣性敏感元件的常值漂移在進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算的時(shí)候能夠相互抵消掉。通過(guò)旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)另外一個(gè)新位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的將加速度計(jì)的輸出轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系，利用調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)提取載體瞬時(shí)線速度信息，具體包括如下步驟 I)引入載體半固定坐標(biāo)系 以艦船重心為載體半固定坐標(biāo)系原點(diǎn)，縱軸OYd指向艦船的主行向方向，橫軸OXd垂直于縱軸平行于水平面，在艦船無(wú)縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)指向右舷方向。垂直軸OZd與前兩軸垂直，沿船只豎軸向上為正(如附圖3)。其中 '為主航向角，Y角為航向搖擺角(即艏搖角定義其與主航向角同向?yàn)檎?。載體半固定坐標(biāo)系的引入使得測(cè)量結(jié)果和角運(yùn)動(dòng)基本脫離，可以準(zhǔn)確地描述艦船的瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)，因此采用載體半固定坐標(biāo)系作為研究艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)或稱為平動(dòng)的基礎(chǔ)坐標(biāo)系。
2)建立慣性測(cè)量單元坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣 首先建立載體坐標(biāo)系與載體半固定坐標(biāo)系之間相差三個(gè)旋轉(zhuǎn)角，可視為半固定坐標(biāo)系經(jīng)三次旋轉(zhuǎn)后與載體坐標(biāo)系重合，三個(gè)角度分別為縱搖角a、橫搖角P及艏搖角Y (如附圖4)。載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系的方向余弦矩陣Qd。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的設(shè)計(jì)合理的無(wú)限沖擊響應(yīng)數(shù)字高通濾波器(IIR)，將導(dǎo)航系下解算出的載體速度進(jìn)行高通濾波處理，具體包括如下步驟 I)確定所設(shè)計(jì)數(shù)字高通濾波器的技術(shù)指標(biāo) 高通數(shù)字濾波器fpl、fsl、5p、Ss的技術(shù)指標(biāo)是根據(jù)信號(hào)特征和采樣頻率fs給定的。其中，fpl為通帶截止頻率，fsl為阻帶截止頻率，Sp為通帶波紋，即濾波器通帶內(nèi)偏離單位增益的最大值，通帶邊緣增益為l_Sp，Ss為阻帶波紋，即濾波器阻帶內(nèi)偏離單位增益的最大值，阻帶邊緣處濾波器的增益為K。通帶及阻帶的衰減ap、％分別定義為-201og (I-S p)、-201og (I-S s)。
舒勒周期振蕩信號(hào)相對(duì)來(lái)說(shuō)屬于低頻信號(hào)，振蕩周期是84. 4分鐘。而艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)是由海洋環(huán)境因素引起的，最主要的產(chǎn)生原因是海浪的影響，所以艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)是頻率與海浪頻率大體一致的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而且艦船瞬時(shí)線運(yùn)動(dòng)相對(duì)于艦船的航行運(yùn)動(dòng)，屬于高頻運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期比較短，一般在I. 5秒 10秒左右，頻率為0. 67赫茲。根據(jù)升沉橫蕩縱蕩運(yùn)動(dòng)和艦船常規(guī)工作運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特性上的不同，設(shè)計(jì)所需要的濾波器的技術(shù)指標(biāo)要求，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)在試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)濾波效果進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)濾波效果為準(zhǔn)。
2)將技術(shù)指標(biāo)從數(shù)字濾波器轉(zhuǎn)換到模擬濾波器 技術(shù)指標(biāo)從模擬濾波器到數(shù)字濾波器的變換采用雙線性Z變換法，設(shè)計(jì)數(shù)字高通濾波器的技術(shù)指標(biāo)為fpl，fsl，6p, 6 s, ts = 0. 0102。首先應(yīng)得到數(shù)字邊緣頻率Q，因?yàn)? 對(duì)應(yīng)采樣頻率fs，而fs = l/ts，所以有
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法，其特征在于所述的根據(jù)調(diào)制型慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座誤差方程建立載體系泊狀態(tài)時(shí)的組合姿態(tài)誤差模型，以高通濾波后得到的速度與慣導(dǎo)系統(tǒng)直接解算出的速度作差后作為系統(tǒng)觀測(cè)量，具體包括如下步驟 建立以經(jīng)過(guò)高通濾波后的水平速度與調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)直接解算出的速度作差后作為觀測(cè)量的卡爾曼濾波模型； 用一階線性微分方程來(lái)描述調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的狀態(tài)誤差 X = AX + BW 其中，X為系統(tǒng)的狀態(tài)向量汸和B分別為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣和噪聲矩陣；W為系統(tǒng)噪聲向量; 系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X=VSVe SVn % % % Vx Vr ex Sy sj 系統(tǒng)的白噪聲向量為 W = [ax ay wx wy wz 0 0 0 0 0]T 其中SVe、6%分別表示東向、北向的速度誤差；▽,、'分別為MU坐標(biāo)系0\、％軸加速度計(jì)零偏；e x、e y、ez分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的常值漂移；ax、ay分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys軸加速度計(jì)的白噪聲誤差；《x、wy> coz分別為IMU坐標(biāo)系oxs、oys、ozs軸陀螺的白噪聲誤差； 系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種無(wú)外觀測(cè)量的調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)組合姿態(tài)確定方法。采用全球定位系統(tǒng)(GPS)確定載體初始位置參數(shù)并裝訂至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中；采集光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；設(shè)定慣性測(cè)量單元(IMU)單軸四位置轉(zhuǎn)停方案；將加速度計(jì)輸出轉(zhuǎn)換到載體半固定坐標(biāo)系；設(shè)計(jì)無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字高通濾波器，對(duì)導(dǎo)航系下解算的載體速度濾波；將濾波后的速度與調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)解算出的速度作差后作為系統(tǒng)觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)信息。本發(fā)明不需要外界輔助設(shè)備提供觀測(cè)信息，可有效解決輔助設(shè)備提供信息頻率與調(diào)制型捷聯(lián)系統(tǒng)解算頻率不匹配問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)調(diào)制型捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合姿態(tài)確定。
文檔編號(hào)G01C21/20GK102768043SQ20121019458
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者孫偉, 徐愛功, 車?yán)蚰?申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)