一种用于单轴调制激光陀螺惯导系统的海上动态启动方法技术方案

本发明专利技术属于惯性导航系统技术领域，针对单轴调制激光陀螺惯导系统在舰船航行过程中完成初始对准的使用需求，公开了一种用于单轴调制激光陀螺惯导系统的海上动态启动方法，步骤为：系统上电启动后，完成数学平台的快速建立，建立基于最优估计理论的Kalman滤波模型，并完成Kalman滤波器的初始化，控制单轴转位机构完成辅助调制运动，利用所述导航解算结果求解Kalman滤波器的线性滤波方程，对求解的所述线性滤波方程进行离散化处理，进行Kalman滤波器的时间更新，进行Kalman滤波器的量测更新，执行预定时间，利用Kalman滤波器的估计结果校正所述惯导系统的姿态误差和器件误差，完成所述惯导系统的初始对准。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性导航系统
，具体涉及一种用于单轴调制激光陀螺惯导系 统的海上动态启动方法。
技术介绍
激光陀螺惯导系统因具有可靠性高、环境适应性强、启动时间短、成本低、体积小、 重量轻等优点而日趋成为主流的惯导产品。初始对准是惯导系统使用前必须完成的工作之 一，其精度直接影响着舰船用户使用的准确性和快速反应能力。海上动态启动是指惯导系 统在舰船正常海上航行过程中完成初始对准，因此，海上动态启动极大地缩短了舰船码头 准备时间、提高了舰船快速反应能力，具有重要的应用价值。 与码头启动或系泊启动等静基座初始对准相比，海上动态启动具有独特的环境 特点：由舰船航行引起的惯导系统大范围线运动；由洋流、海浪、阵风等引起的舰船大幅摇 摆，使得惯导系统敏感到的地球自转角速度和重力加速度等信息受到严重干扰。惯导系统 的大范围线运动导致传统解析对准技术精度大幅下降，无法满足系统使用要求；惯导系统 的大幅角运动导致传统的基于网络回路的水平方位粗对准技术精度严重下降，无法满足系 统使用要求。 因此，为保证系统海上动态启动的初始对准精度，需解决大范围线运动、大幅角运 动条件下的惯导系统数学平台（数学平台即惯导系统导航解算坐标系）建立的问题。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的缺点和不足，本专利技术提供了一种用于单轴调制激光陀 螺惯导系统的海上动态启动方法，该方法采用航迹寻北解析调平技术完成数学平台的快速 建立，利用基于最优估计理论的Kalman滤波技术完成惯导系统初始姿态误差、陀螺和加速 度计零位误差的高精度估计与补偿，实现惯导系统的海上动态启动。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于单轴调制激光陀螺惯导系 统的海上动态启动方法，包括以下步骤： a)、系统上电启动后，利用航迹寻北解析调平技术完成数学平台的快速建立； b)、根据所述惯导系统的误差传播规律，建立基于最优估计理论的Kalman滤波模 型，并完成所述Kalman滤波器的初始化； c)、控制单轴转位机构完成辅助调制运动； d)、基于步骤a)建立的数学平台进行所述惯导系统的导航解算，利用所述导航解 算结果求解所述Kalman滤波器的线性滤波方程； e)、对步骤d)中求解的所述线性滤波方程进行离散化处理； f)、进行所述Kalman滤波器的时间更新； g)、利用高精度的外部参考信息进行所述Kalman滤波器的量测更新，所述高精度 的外部参考信息是指由卫星导航系统提供的位置、速度等导航信息； h)、重复步骤c)至步骤g)，执行预定时间； i)、利用所述Kalman滤波器的估计结果校正所述惯导系统的姿态误差和器件误 差，完成所述惯导系统的初始对准。 所述的，其步骤a)具 体为： (1)航迹寻北一一利用所述高精度的外部参考速度信息完成所述系统航迹向的解 算，具体解算公式为 式中，H表示所述惯导系统的航向，V、I、Vn分别表示所述外部参考速度、东向分速 度和北向分速度； (2)解析调平一一利用地球自转角速度恒定已知，可准确计算出重力加速度在惯 性空间一定时间内转过的角度，根据惯性系内重力加速与载体系加速度计输出的关系即可 解算出载体姿态信息；在解析调平开始时刻将载体系b凝固为惯性系b。，则所述惯导系统 初始对准姿态矩阵Cgct).可表述为： 式中，Cf(I)表示惯性坐标系（i系）与导航坐标系（η系）之间的转移矩阵，可由所 述外部参考位置信息、地球自转角速率以及解析调平时间t确定；表示凝固惯性系（b。 系）与i系之间的转移矩阵，为常值矩阵，可由惯性系内重力加速与载体系加速度计输出的 关系确定；Cf (g表示载体坐标系（b系）与b。系之间的转移矩阵，可由陀螺输出的载体角 增量信息确定；根据所述解析调平方法确定所述惯导系统姿态矩阵后，即可解算出所述惯 导系统的水平姿态信息。 所述的，其步骤b)中 惯导系统的误差传播规律为： 式中，Φη表示所述惯导系统姿态误差角在η系的投影，表示η系相对i系的角 速度在η系的投影，δ，、δ Pn分别表示所述惯导系统在n系的速度误差和位置误差，εb、 ▽b*别表示所述惯导系统陀螺零偏和加速度计零偏在b系的投影，M1Q = 1，2,3…6)为 相关矩阵，具体如下： 式中，1^表示地球子午圈主曲率半径，R"表示地球卯酉圈主曲率半径，h表示所述 惯导系统的解算高度，L表示所述惯导系统的解算炜度，V E、VN、Vu分别表示所述惯导系统的 解算东向、北向、天向速度，ω ιε表示地球自转角速度。 所述的，其步骤b)中 Kalman滤波模型的建立具体为： (1)取所述惯导系统姿态误差角、速度误差、位置误差、陀螺常值零偏以 及加速度计常值零偏作为所述Kalman滤波器状态矢量： Χ=[φΕ φΝ φμ δ Ve δ Vn δ Vu 5L δλ 5h εχ εγ εζ Vx Vy VJt 其中，Φ Ε、Φ Ν、Φ U表示所述姿态误差角Φ η沿坐标轴的分量，δ V Ε、δ νΝ、δ Vu分别 表示东向、北向、天向速度误差，S L、δ λ、Sh分别表示炜度、经度、高度误差，εχ、ey、εζ 分别表示三个轴向陀螺常值零偏，▽ X、V y、V ζ分别表示三个轴向加速度计常值零偏； (2)取所述Kalman滤波器的系统状态方程为： 式中：F为所述Kalman滤波器的系统状态矩阵，W为系统噪声矢量，G为噪声转换 矩阵，根据公式（3)可以确定系统状态矩阵F为： 式中，NU是η系相对i系的旋转角速度在η系上的投影分量组成的反对称矩阵， 是所述惯导系统的加速度计输出比力在η系上的投影分量组成的反对称矩阵，O 3x3表 示三维零矩阵，M1 (i = 1，2, 3…6)表示所述相关矩阵； (3)利用所述高精度的外部参考信息构造系统量测矢量，所构造的系统量测矢量 为： Z = τ 式中，VTE、Vtn分别表示所述外部参考东向、北向速度，L T、别表示所述外部参 考炜度、经度； (4)确定系统量测方程为： Z = HX+ η 式中，H为量测矩阵，η为量测噪声：D. 所述的，其步骤d)中 Kalman滤波方程如下： 状态一步预测方程为分别表示k时 刻系统状态一步预测值、k-Ι时刻系统状态估值、k-Ι时刻到k时刻的系统状态转移矩阵； 状态估计方程为分别为k时 刻系统状态估值、系统增益矩阵、量测向量和量测矩阵； 滤波增量方程为其中Pk/k ^Rk分别为k时刻系 统协方差阵的一步预测、系统量测噪声矩阵； -步预测均方误差方程为其中Pk i、Qk i、 rk i分别为k-Ι时刻系统协方差阵、系统噪声矩阵和系统噪声驱动矩阵； 估计均方误差方程为1其中PkS k时 刻系统状态协方差阵，I是单位阵。 所述的，其步骤i)中 所用公式如下： (1)姿态校正一利用估计出的惯导系统姿态误差角构成校当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于单轴调制激光陀螺惯导系统的海上动态启动方法，其特征在于：包括以下步骤：a)、系统上电启动后，利用航迹寻北解析调平技术完成数学平台的快速建立；b)、根据所述惯导系统的误差传播规律，建立基于最优估计理论的Kalman滤波模型，并完成所述Kalman滤波器的初始化；c)、控制单轴转位机构完成辅助调制运动；d)、基于步骤a)建立的数学平台进行所述惯导系统的导航解算，利用所述导航解算结果求解所述Kalman滤波器的线性滤波方程；e)、对步骤d)中求解的所述线性滤波方程进行离散化处理；f)、进行所述Kalman滤波器的时间更新；g)、利用高精度的外部参考信息进行所述Kalman滤波器的量测更新，所述高精度的外部参考信息是指由卫星导航系统提供的位置、速度等导航信息；h)、重复步骤c)至步骤g)，执行预定时间；i)、利用所述Kalman滤波器的估计结果校正所述惯导系统的姿态误差和器件误差，完成所述惯导系统的初始对准。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：乐晋，王振华，周平璜，徐爱明，马骏，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一七研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42