基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，包括：根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列，拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型；利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿，然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器，解算出当前时刻的船体变形角；重复上述过程，得到实时测量的船体变形角。本发明专利技术通过船体变形角增量关于惯性角增量的线性相关模型对陀螺惯性角增量进行补偿，可以有效抑制滤波过程中偏置误差的出现，提高船体变形的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于舰船角变形测量
，特别涉及一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法。
技术介绍
现代舰船安装有大量高精度的测量设备和武器系统，如雷达、光电跟瞄、导航、火炮、导弹和舰载机等，在信息共享和协同作战中需要建立统一的时间基准和空间坐标系。通常空间基准坐标系由船上最高精度的主惯导提供给各个战位点的子系统使用，但是由于舰船结构的非刚性，当在海上航行时受到海浪冲击、载荷变化和环境温度的影响，各个子系统与主惯导之间将产生船体变形，空间坐标系基准从主惯导传递给子系统时受船体变形影响具有传递对准误差。因此，船体变形测量问题受到了世界各国的高度关注，提出了各种船体变形测量方法，有光学测量法、应力/应变测量法、GPS测量法和惯性量匹配测量法等，其中惯性量匹配测量法具有不需要光学通视条件、不需要第三方观测信息和测量完全自主等优点，通用性和环境适应性强。惯性量匹配测量方法是一种基于陀螺和加速度计等惯性器件进行变形测量和基准统一的方法。1966年发表于《ProceedingAIAA/JACCConferenceGuidanceandControl》的“Masterreferencesystemforrapidatseaalignmentofaircraftinertialnavigationsystems”一文介绍了传递对准的方法，提出了船体变形测量的概念。俄罗斯专家Mochalov于2002年在《ProceedingsofSPIE》第4680期发表的“Useoftheringlaserunitsformeasurementofthemovingobjectdeformations”一文中公开了一种基于惯性空间角速度匹配的激光陀螺组合体测量角变形的方法，该方法的优点是以角速度为观测量，将动态挠曲变形近似为二阶高斯-马尔可夫平稳随机模型且作为状态方程，构建了卡尔曼滤波器，实现了实时、自主地测量角变形的目的，但缺点是激光陀螺输出的是与角度成正比的脉冲信号，无法得到瞬时角速率，输出的平均角速率有很大的量化噪声，若用平均角速度替代瞬时角速度，会引起一定的理论误差，测量的信噪比低；而且动态挠曲变形模型参数不是时变的，不符合船体变形的频谱分布时变的特性。正因为如此，Mochalov提出的角速度匹配测量角变形的方法精度较低。郑佳兴等人发表于2010年《中国惯性技术学报》第2期第175-180页的“基于姿态匹配的船体形变测量方法”一文和2011年《中国惯性技术学报》第1期第6-10页的“考虑准静态缓变量的船体形变测量”一文中都提出对激光陀螺输出的角增量进行积分，重新推导了惯性空间坐标系表示的惯性姿态匹配测量方法，大大提高了测量的信噪比，且考虑了对缓慢变化的静态变形进行了建模。2013年《Int.J.Modeling,Identification,andControl》第19卷第3期第224-234页的“Couplinginfluenceofshipdynamicflexureonhighaccuracytransferalignment”一文和2014年发表于《The33rd.ChineseControlConference》的“Observationcouplingeffectofattitudematchingintransferalignmentforshipangularflexuremeasurement”一文中均对激光陀螺测量变形的惯性姿态匹配方法存在的相关耦合作用机理及其对变形测量的影响进行了较为深入的研究，提出了动态挠曲变形与船体角运动的交叉相关耦合作用导致了变形测量出现偏置性误差，成为制约船体变形测量精度进一步提高的关键因素；前者还研究了ARMAX模型表征动态挠曲变形与船体角运动的交叉相关耦合的方法，并求出了偏置误差变形角。但是，由于船体变形的统计参数是随时间缓慢变化的，因此偏置性误差并不是一个常值，不能直接对船体变形测量结果进行补偿。综上所述，基于惯性姿态匹配的船体变形测量方法中因交叉相关耦合作用导致了船体变形测量存在偏置性误差，测量精度难以进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，自适应地补偿交叉相关耦合作用导致的偏置误差，提高船体变形的测量精度。实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，包括以下步骤：步骤1：根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列，拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型；步骤2：利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿，然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器，解算出当前时刻的船体变形角；步骤3：重复步骤1-步骤2，得到实时测量的船体变形角。与现有技术相比，本专利技术的显著效果为：(1)本专利技术引入了表征船体动态挠曲变形与船体姿态角之间交叉相关耦合作用的线性相关模型，为惯性角增量的自适应补偿提供了可能；(2)本专利技术通过船体变形角增量关于惯性角增量的线性相关模型对陀螺惯性角增量进行补偿，可以有效抑制滤波过程中偏置误差的出现，提高船体变形的测量精度；(3)本专利技术可以实时、高精度地测量得到船体变形角，预计在纵挠和横扭方向的角变形估计误差小于5角秒，艏挠方向的角变形估计误差小于15角秒。附图说明图1是激光陀螺组合体配置在船体上的示意图。图2是基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法的总体流程图。图3是单次滤波时间内线性相关模型的计算流程图。图4是惯性角增量自适应补偿的计算流程图。图5是补偿前后船体变形测量的半实物仿真结果图。具体实施方式本专利技术中船体变形的测量装置是利用两套激光陀螺组合体(LaserGyroscopeUnit，LGU)LGU1和LGU2分别放置于船体上待测量的两点，每套激光陀螺组合体由三个相互正交的激光陀螺组成。如图1所示，定义第一激光陀螺组合体LGU1和第二激光陀螺组合体LGU2所在的载体坐标系分别为b1和b2，通过构建以惯性姿态匹配测量方程为观测方程，以长期变形模型，动态挠曲变形模型，等效失调角模型和激光陀螺的随机零偏差值模型为状态方程的卡尔曼滤波器，实时解算出长期变形、动态挠曲变形、等效失调角和激光陀螺的随机零偏差值等各状态的估计值，实现船体变形自主测量的目的。如图2所示，本专利技术的一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，包括以下步骤：步骤1：根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列，拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型；所述惯性姿态匹配的卡尔曼滤波器由一步状态转移方程和一步观测方程组成；一步状态转移方程由长期变形模型、动态挠曲变形模型、姿态误差差值模型和随机零偏差值模型组成，分别为：其中，分别为k时刻和(k-1)时刻的长期变形，为长期变形模型噪声幅度的方差经向量对角化排列成的矩阵，为服从均值为零、方差为1的高斯分布白噪声向量，表示k时刻的服从高斯-马尔可夫随机模型描述的动态挠曲变形分量，[C11,C12,C13]为动态挠曲变形模型参数矩阵；分别为k时刻和(k-1)时刻的姿态误差差值，分别为k时刻和(k-1)时刻的随机零偏差值，为随机零本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1：根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列，拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型；步骤2：利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿，然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器，解算出当前时刻的船体变形角；步骤3：重复步骤1‑步骤2，得到实时测量的船体变形角。

【技术特征摘要】
2016.05.31 CN 201610378722X1.一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，其特征在于,包括以下步骤：步骤1：根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列，拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型；步骤2：利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿，然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器，解算出当前时刻的船体变形角；步骤3：重复步骤1-步骤2，得到实时测量的船体变形角。2.根据权利要求1所述的基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，其特征在于，所述两套激光陀螺组合体分别放置于船体上待测量的两点，每套激光陀螺组合体由三个相互正交的激光陀螺组成。3.根据权利要求1所述的基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法，其特征在于，惯性姿态匹配的卡尔曼滤波器由一步状态转移方程和一步观测方程组成；一步状态转移方程由长期变形模型、动态挠曲变形模型、姿态误差差值模型和随机零偏差值模型组成，分别为：其中，分别为k时刻和(k-1)时刻的长期变形，为长期变形模型噪声幅度的方差经向量对角化排列成的矩阵，为服从均值为零、方差为1的高斯分布白噪声向量，表示k时刻的服从高斯-马尔可夫随机模型描述的动态挠曲变形分量，[C11,C12,C13]为动态挠曲变形模型参数矩阵；分别为k时刻和(k-1)时刻的姿态误差差值，分别为k时刻和(k-1)时刻的随机零偏值，为随机零偏差值模型噪声幅度的方差向量经向量对角化排列成的矩阵，为k时刻的第一激光陀螺组合体的惯性姿态对应的由载体坐标系b1变换到惯性坐标系i1的旋转变换矩阵，ΔT为单位采样时间；一步观测方程为：其中，和A(k)为根据两套激光陀螺输出的角增量计算得到的第k时刻的测量向量和测量矩阵；将(1)～(5)式写成矩阵形式为：式中，为k时刻的状态估计量；和分别为k时刻的状态噪声和观测噪声，均服从零均值的高斯白噪声分布；状态估计量一步状态转移矩阵F(k)、一步观测矩阵H(k)、状态噪声矩阵W(k)和观测噪声矩阵R(k)分别定义如下：F(k)=I00000C11C12000I000000I-C...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨云涛，武文远，王省书，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32