一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，在北向对准回路输出东向失准角，在方位对准回路输出方位失准角。本发明专利技术利用电磁计程仪追踪舰船的机动速度，并且通过加速度测量补偿来消除地球自转角速度转换到导航坐标系的误差，即可实现舰船用捷联惯性导航系统行进间精对准问题，大大提高了载体机动能力，是行之有效的行进间初始对准方法。

An electromagnetic log assisted marine gyrocompass alignment algorithm for marching

The invention discloses an electromagnetic log assisted marine gyrocompass alignment method of moving to the north, and north to the input acceleration feedback loop alignment into the first comparator after integral into the second comparator, the comparator second with initial velocity and minus the reference speed, after correction is divided into the north loop and alignment azimuth alignment loop, loop alignment output East misalignment angle in the north, in the azimuth alignment loop output azimuth angle. The invention uses electromagnetic log maneuvering speed tracking ship, and to eliminate the error of earth rotation into navigation coordinate system by measuring acceleration compensation can be realized by ship alignment of strapdown inertial navigation system is running fine, greatly improving the ability of dynamic vector machine, is moving the effective initial alignment method.

【技术实现步骤摘要】
一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法
本专利技术主要涉及陀螺导航，尤其是一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法。
技术介绍
捷联惯性导航行进间初始对准是指载体在运动过程中完成惯性导航系统初始对准的技术，因此，它是动基座初始对准技术的一种。惯性导航行进间初始对准技术对于增强载体的机动能力和快速反应能力具有不可估量的意义和作用。与传统的静基座初始对准环境不同，一方面在载体运动状态下，载体的位置、速度、加速度以及角速度都在不断地发生变化，因而对初始对准将产生影响；另一方面，线运动会使惯性导航基本方程中的对地加速度、哥式加速度等参量时刻变化，因此在运动状态下无法利用加速度计输出数据测得重力加速度的精确信息；运动条件下载体振动使得干扰角速度具有很宽的频带，陀螺仪输出信号信噪比较低，无法从陀螺仪输出数据中将地球自转角速度这一对准的有用信息提取出来。因此，传统的罗经法对准不适合行进间对准，在载体运动条件下，不能单纯的依靠陀螺仪和加速度计的直接测量信息进行初始对准。并且，现有的加速度补偿方法采用电磁计程仪速度的微分。由于低采样频率，积分误差的存在，这种方法不适合于高精度的捷联惯性导航系统。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本专利技术旨在提供一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，引入测距、测速信息，以补偿运动过程中有害加速度对初始对准精度的影响。技术方案：一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，包括如下步骤：北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，所述修正环节包括第一惯性环节和微分环节；在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；所述第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；所述第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标中天向上的投影。进一步的，所述北向加速度输入包括北向加速度与加速计偏置在导航坐标系中北向的投影。进一步的，所述参考速度为电磁计程仪通过外测速得到的参考速度VrN：VrN＝VN+δVrN其中，VN为北向速度，δVrN为电磁计程仪的测量速度误差。进一步的，第一惯性环节为1/(s+k1)，第二惯性环节为1/(s+k2)，第一比例环节为kN，第二比例环节kU；其中k1,k2,kN,kU均为罗经对准回路的系统参数，具体选择如下：式中，ωn,ξ分别为振荡频率和阻尼系数，g为重力加速度，ωie为地球自转角速度，为当地纬度。进一步的，第一控制角速率、第二控制角速率分别为其角速率控制方程为：其中，fn为导航坐标系中加速度计的输出，为其在导航坐标系中北向的投影，AN为北向加速度，VE,VN分别为东向和北向速度，R为地球半径。进一步的，所述导航坐标系中加速度计的输出其中，An为舰船在导航坐标系中的加速度，分别为地球自转角速度和位置速率在n系的投影：进一步的，所述罗经项为ωie其中ωie为地球自转角速度，为当地纬度。有益效果：本专利技术首先在传统静基座罗经法对准的结构中加入速度和加速度，然后再进行加速度影响的误差分析，最后利用电磁计程仪输出的参考速度对行进间罗经法对准进行加速度补偿，最终实现高精度的姿态对准和位置导航。本专利技术不仅适合于静态或者系泊的舰船，还能够适用于航行中的舰船进行罗经法对准，在工程中的运用具有一定得参考价值；利用电磁计程仪追踪舰船的机动速度，并且通过加速度测量补偿来消除地球自转角速度转换到导航坐标系的误差，即可实现舰船用捷联惯性导航系统行进间精对准问题，大大提高了载体机动能力，是行之有效的行进间初始对准方法。附图说明图1为北向四阶罗经法对准回路的结构图；图2为加速度为常值时的仿真结果图；图3为加速度为周期性信号时的仿真结果图；图4为本专利技术的系统结构图；图5a、5b分别为情况A时传统方法方位失准角、水平失准角的结果图；图6a、6b分别为情况A时本专利技术方位失准角、水平失准角的结果图；图7a、7b分别为情况B时传统方法方位失准角、水平失准角的结果图；图8a、8b分别为情况B时本专利技术方位失准角、水平失准角的结果图。具体实施方式下面通过实施例并结合附图对本技术方案进行详细说明。(1)建立捷联惯性导航系统的行进间罗经法对准结构：为了分析航海用捷联惯性导航系统行进间罗经法对准，在传统静基座下的罗经法对准结构图中加入了速度和加速度。北向四阶罗经法对准回路的结构图如图1所示。图1中，g是重力加速度，ωie为地球自转角速度，εE，εU分别为陀螺漂移在导航坐标系中东向和天向上的投影，AN是北向加速度，当船静止时，其值等于0，ΔAN是加速计偏置在导航坐标系中北向的投影，为当地纬度，α,γ分别为东向和方位失准角，k1,k2,kN,kU分别为罗经对准回路的系统参数，为控制角速率，其用来调节捷联姿态矩阵至适当值。罗经法对准的关键是设计控制角速率，从图1可得角速率控制方程：式中，fn为导航坐标系中加速度计的输出，为其在导航坐标系中北向的投影。如果是静基座下罗经法对准，fn应该是重力加速度和加速度计偏置之和。但是当在航行中的舰船中使用罗经法对准时，加速度计的输出应该如下：式中，An舰船在导航坐标系中的加速度，分别为地球自转角速度在n系的投影和位置速率在n系的投影。式中，VE,VN分别为东向和北向速度，R为地球半径。当罗经法对准在静基座下执行时，是由初始位置决定的常值向量，An和都为0。因此当计算控制角速率时他们的影响可以忽略。当舰船在海上航行时，变成一个变量并且An和不再等于0。当用加速计输出来计算控制角速率时，他们应该被补偿掉。从上面的两个式子可知，对于计算控制角速率，加速度、速度和纬度是必要的。速度不是包含在罗经对准回路中的，因此来自辅助传感器的外速度是必要的。通常，电磁计程仪被作为辅助传感器来提供载体坐标系中y轴的速度。当捷联姿态矩阵是从粗对准获得的，我们可以将电磁计程仪的速度从载体坐标系转到导航坐标系中，从而很容易地获得导航坐标系中的速度。然后我们对导航坐标系中的速度进行积分从而实时更新当地纬度。可以用电磁计程仪速度的加速度计输出来补偿但是舰船的加速度An仍然存在于加速度计输出中并且有待补偿。(2)加速度影响误差分析从以上分析所知，为了把静基座下罗经对准扩展到动基座下罗经对准，应该考虑舰船的加速度。这部分我们将分析舰船加速度对罗经对准的影响。根据图1，北向加速度与东向失准角，方位失准角之间的传递函数可以表示如下：罗经对准回路的系统参数可以选择如下：式中，ωn,ξ分别为振荡频率和阻尼系数。把系统参数代入北向加速度与东向失准角，方位失准角之间的传递函数可得通过观察上式，我们发现北向加速度AN(s)对东向失准角的影响可以分成两部分。第一部分是一个二阶的临界阻尼系统另外一个是一个二阶阻尼系统根据二阶系统的时域相应特性，我们可以得到如下的结论。当北向加速度是阶跃信号时，α(s)不但有瞬态误差，还有稳态误差。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，包括如下步骤：北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，所述修正环节包括第一惯性环节和微分环节；在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；所述第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；所述第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标中天向上的投影。

【技术特征摘要】
1.一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，包括如下步骤：北向加速度输入与北向对准回路反馈量进入第一比较器后经积分环节进入第二比较器，第二比较器中加入初始速度并减去参考速度，再经过修正环节后分为北向对准回路和方位对准回路，所述修正环节包括第一惯性环节和微分环节；在北向对准回路中经过第一比例环节后进入第三比较器再经过积分环节后输出东向失准角，同时与重力加速度相乘后作为北向对准回路反馈量；在方位对准回路中经过第二惯性环节和第二比例环节后进入第四比较器，再通过积分环节后输出方位失准角，同时与罗经项相乘后作为北向对准回路作用值；所述第三比较器中加入陀螺漂移在导航坐标中东向上的投影并减去第一控制角速率和北向对准回路作用值；所述第四比较器中加入第二控制角速率和陀螺漂移在导航坐标中天向上的投影。2.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述北向加速度输入包括北向加速度与加速计偏置在导航坐标系中北向的投影。3.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪辅助船用陀螺罗经行进间对准方法，其特征在于，所述参考速度为电磁计程仪通过外测速得到的参考速度VrN：VrN＝VN+δVrN...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓苏，孙进，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32