一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一.船用捷联惯导系统进行实时解算，采集水平姿态角和航向角；步骤二.通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量；步骤三.将估计出的水平姿态角舒勒振荡分量闭环反馈至船用捷联惯导系统；步骤四.实时输出船用捷联惯导系统信息。本发明专利技术利用了利用LMS算法估计出惯导系统输出水平姿态角的舒勒周期振荡分量，然后通过估计的结果对捷联惯导系统进行反馈校正，从而实现惯导系统的水平阻尼，不需要引入外部信息，计算量小，阻尼效果好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法
本专利技术涉及导航领域，具体涉及一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法。
技术介绍
捷联惯性导航系统是一种自主式导航系统，大部分运载体工作在不受加速度的干扰的无阻尼状态，对飞机、导弹等加速度和速度很大，使用时间又很短的系统来说，误差积累并不严重；但对使用时间久，加速度又不太大的舰船来说，会产生三种周期性振荡误差，即舒勒周期振荡、傅科周期振荡和地球周期振荡，并且随着时间的积累，误差是发散的。目前，学者们正努力寻求有效的抑制舒勒振荡误差的算法。惯导系统与GPS的组合导航系统可以消除发散的振荡性误差，但GPS易受干扰，且在水下无法使用，因此在无法获得位置信息的情况下，只能依靠速度信息抑制舒勒振荡。传统的外水平阻尼网络由多普勒提供速度信息，通过尝试法得到各个阻尼参数，能够很好的消除舒勒振荡误差，但是在阻尼切换时会产生超调误差，且外参考速度误差越大，产生的超调越大。因此何虔恩等人提出《基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计》文献中将具有优良高频特性的常速度网络和具有优良低频特性的相位滞后-超前网络进行互补匹配，得到同时具有优良高低频特性的阻尼网络，计程仪提供速度信息与惯导解算的速度信息之差通过阻尼网络来抑制舒勒振荡，但此方法在实现时应用到数字滤波器，离散化的周期会影响阻尼的效果和稳定程度，参数的选取较敏感，造成了一定的局限性。随后，刘飞等人提出《基于Kalman滤波技术的捷联惯导系统水平阻尼算法》，立足现代控制理论，提出一种基于卡尔曼滤波技术的惯导/多普勒的水平阻尼算法，但卡尔曼滤波算法对初始值的选取以及过程噪声的协方差很敏感，在实际应用中，无法获得准确的加速度计误差与陀螺漂移。现有的外水平阻尼方法都需要外部传感器提供速度信息，本专利技术旨在解决以上问题，通过LMS(Leastmeansquare,最小均方)算法抑制惯导内解算水平姿态信息中的舒勒周期振荡，以达到系统水平阻尼的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种不利用惯导外部信息阻尼惯导系统舒勒振荡的、阻尼精确更高的基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法。本专利技术的目的是这样实现的，包括如下步骤：步骤一.船用捷联惯导系统进行实时解算，采集水平姿态角和航向角；步骤二.通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量；所涉及通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量的步骤为：(1)对水平姿态角建立模型，模型表达式为r(k)＝[w1(k),w2(k)…w2M(k)]·[r1(k),r2(k)…r2M(k)]T＝[wu(k),ws(k)]·[ru(k),rc(k)]T式中[w1(k),w2(k)…w2M(k)]为模型的系数向量；M为LMS算法参数，值为整数；k为算法迭代的次数；rn(k)为单位正余弦项和常值分量，表达式为：式中，T为惯性解算数据的周期，wu(k)为有用信号模型系数向量，ws(k)为舒勒振荡模型中的系数向量，ru(k)为有用信号模型中的单位正余弦向量，rc(k)为舒勒振荡模型中的常值向量；(2)利用LMS算法修正系数向量wu(k)和ws(k)，表达式为e(k)＝rins(k)-r(k)式中，e(k)为修正量，rins(k)为横摇信息；wu(k+1)＝wu(k)+2μue(k)ru(k)ws(k+1)＝ws(k)+2μse(k)rc(k)式中，μu和μs为收敛因子；(3)计算出水平姿态角的舒勒振荡分量rs(k)，计算表达式为rs(k)＝ws(k+1)rcT(k)步骤三.将估计出的水平姿态角舒勒振荡分量闭环反馈至船用捷联惯导系统；首先将估计出的水平姿态角舒勒振荡分量rs(k)反馈给rins(k)，得到反馈后的水平姿态角r′ins(k)，表达式为r′ins(k)＝rins(k)-rs(k)。然后将LMS算法中舒勒振荡分量的系数向量ws(k)置零；根据修正后水平姿态角以及航向角构造出捷联矩阵C′ins，代入惯导系统进行解算；步骤四.实时输出修正后的船用捷联惯导系统信息；进一步的，收敛因子的取值范围满足：式中R为向量[r1(k),r2(k)…r2M(k)]的自相关矩阵，tr[R]代表矩阵R的迹。自相关矩阵R的表达式为：进一步的，收敛因子μu应尽量趋近于μs远小于进一步的，所述LMS算法参数M的取值范围为10～20。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术利用了利用LMS算法估计出惯导系统输出水平姿态角的舒勒周期振荡分量，然后通过估计的结果对捷联惯导系统进行反馈校正，从而实现惯导系统的水平阻尼。本专利技术能够提高船用捷联惯导系统的整体性能。2.本专利技术方法不依赖外部信息实现水平阻尼，且具有计算量小，阻尼效果好。附图说明图1.基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼流程图；图2.基于LMS算法的舒勒振荡分量估计原理图；图3.真实数据下惯导系统解算纵摇角的舒勒振荡估计值；图4.真实数据下惯导系统解算纵摇角和舒勒振荡开环反馈后纵摇角的对比图；图5.仿真数据下惯导系统解算水平姿态角误差和使用本专利技术后的水平姿态角误差；图6.仿真数据下惯导系统解算速度误差和使用本专利技术后的速度误差；具体实施方式结合附图对本专利技术方法做进一步阐述。由于海洋环境的影响，舰船在海上航行过程中不可避免的进行纵摇和横摇运动并且纵横摇运动的周期在特定频段内，船用捷联惯性导航设备能够量测出舰船三轴的角运动信息，即惯导系统输出的纵横摇角信息也在特定频段内，此外，受惯导系统内舒勒回路的影响，其输出的纵横摇角还包含舒勒振荡分量。由于惯性导航设备输出的纵摇和横摇信息特性相似，故本说明书仅对横摇信息进行处理，纵摇信息处理的方法与其相同。惯导系统输出的横摇角rins包含两部分：有用信号和舒勒振荡分量，有用信号反映船体在特定频段内的横摇运动，舒勒振荡分量是周期为84.4分钟的正弦信号。为了实现惯导系统的水平阻尼，需要将横摇角中舒勒振荡分量剔除，并修正惯导系统中姿态矩阵等部分，整体流程图如附图1所示。为了估计出横摇信息rins中的舒勒周期振荡部分，首先对横摇信息rins建立模型，将有用信号建模为运动频段内某些频点的正余弦项的叠加，舒勒分量建模为周期84.4分钟的正余弦项的叠加。本专利技术中将有用频段设为0.08Hz～0.3Hz，将该频段等距划分得到有用信号模型中频点，数量为M-1，频点为f1～fM-1；由于舒勒振荡周期较长，其可建模为常值分量，为了便于参数选取和分析，常值分量为0.7071，数量为2。横摇信息rins模型可表示为r(k)＝[w1(k),w2(k)…w2M(k)]·[r1(k),r2(k)…r2M(k)]T＝[wu(k),ws(k)]·[ru(k),rc(k)]T式中模型的系数向量为：[w1(k),w2(k)…w2M(k)]，rn(k)为单位正余弦项和常值分量，形式如下：式中k为算法迭代的次数，T为惯性解算数据的周期，wu(k)为有用信号模型系数向量，ws(k)为舒勒振荡模型中的系数向量，ru(k)为有用信号模型中的单位正余弦向量，rc(k)为舒勒振荡模型中的常值向量。为了使横摇信息模型逼近于惯导系统解算的横摇信息rins，使用LMS算法不断修正系数向量wu(k)和ws(k)。在迭代过程中，相对于有用信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一.船用捷联惯导系统进行实时解算，采集水平姿态角和航向角；步骤二.通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量；所涉及通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量的步骤为：(1)对水平姿态角建立模型，模型表达式为r(k)＝[w1(k),w2(k)…w2M(k)]·[r1(k),r2(k)…r2M(k)]

【技术特征摘要】
1.一种基于LMS算法的船用捷联惯导系统水平阻尼方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一.船用捷联惯导系统进行实时解算，采集水平姿态角和航向角；步骤二.通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量；所涉及通过基于LMS算法的舒勒振荡估计算法估计出水平姿态角的舒勒振荡分量的步骤为：(1)对水平姿态角建立模型，模型表达式为r(k)＝[w1(k),w2(k)…w2M(k)]·[r1(k),r2(k)…r2M(k)]T＝[wu(k),ws(k)]·[ru(k),rc(k)]T式中[w1(k),w2(k)…w2M(k)]为模型的系数向量；M为LMS算法参数，值为整数；k为算法迭代的次数；rn(k)为单位正余弦项和常值分量，表达式为：式中，T为惯性解算数据的周期，wu(k)为有用信号模型系数向量，ws(k)为舒勒振荡模型中的系数向量，ru(k)为有用信号模型中的单位正余弦向量，rc(k)为舒勒振荡模型中的常值向量；(2)利用LMS算法修正系数向量wu(k)和ws(k)，表达式为e(k)＝rins(k)-r(k)式中，e(k)为修正量，rins(k)为横摇信息；wu(k+1)＝wu(k)+2μue(...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄卫权，李智超，程建华，周广涛，卢曼曼，王红超，岳博，关帅，袁纵，苏建斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23