一种基于惯性技术的相对姿态测量方法技术

本发明专利技术涉及一种相对姿态测量方法，特别是一种基于惯性技术的相对姿态测量方法；本发明专利技术通过改进计算方法和充分利用舰船现有设备，利用舰船惯导设备的姿态信息与相对姿态测量装置进行角速度匹配，并且在滤波模型中采用等效陀螺漂移代替舰船惯导设备陀螺漂移和相对姿态测量装置陀螺漂移以降低滤波模型维数，削弱了计算速度对输出频率的限制，降低了测量装置的复杂程度和成本；通过使用本发明专利技术提供的基于惯性技术的相对姿态测量方法，能够在舰船正常运动的过程中实现相对姿态的测量，不会给舰船运动造成任何限制，运动适应性好；本发明专利技术不需要安装标校，使用简便；相对姿态测量装置开机不需要进行惯性对准，准备时间短，可以更快的实现测量。

A method of relative attitude measurement based on Inertial Technology

The invention relates to a relative attitude measurement method, in particular to a relative attitude measurement method based on inertial technology; the invention improves the calculation method and make full use of the existing equipment of ship, the ship inertial navigation equipment attitude information and relative attitude measurement device of angular rate matching, and the filter used in the model instead of equivalent gyro drift ship inertial navigation equipment of gyro drift and relative attitude measurement device to reduce the dimension of the model of gyro drift filtering, weaken the limitation of the calculation speed of the output frequency, reduce the complexity and cost of measuring device; relative attitude measurement method based on inertial technology provided by the invention, can measure the relative attitude in the process of the ship in the motion, will not cause any restrictions to the ship motion, motion of the invention does not need good adaptability; The installation of calibration is simple and easy to use; the relative attitude measuring device does not require inertial alignment, short preparation time and faster measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性技术的相对姿态测量方法
本专利技术涉及一种相对姿态测量方法，特别是一种基于惯性技术的相对姿态测量方法。
技术介绍
对于较大型的舰船，通常会分布安装诸多设备，其中许多设备都需要使用安装位置精确的姿态信息，这些姿态信息通常由舰船惯导设备直接或间接提供。但是，舰船惯导设备给出的姿态信息是其自身安装位置的姿态信息，并非各设备安装位置的姿态信息，而这两者之间会由于存在一定的差距，为了消除这个因安装而导致的固定差距，可以通过安装标校来实现。然而由于舰船运动、舰船载荷的变化以及风吹日晒等诸多热、力学的影响，会使得甲板产生变形。这就使得舰船惯导设备向分布在全舰各处的各舰载设备发送的姿态信息与舰载设备所处位置的真实姿态信息存在一定的动态偏差。对于一些高精度的设备，必须采用有效的手段将这些偏差测量出来，从而消除其影响。早在上世纪60年代，学者们就开始了对由舰船甲板变形引起的相对姿态的测量的研究，早期的方法如偏振光能量测量法、双频偏振光法、光栅法、大钢管基准法等，虽然具有较高的测量精度，但是这些方法只能在静态的条件下测量相对姿态。随后出现的液体压力测量法、摄影测量法等，虽然能够用于动态测量中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于惯性技术的相对姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：坐标系定义；b1坐标系：舰船惯导设备载体坐标系oxb1yb1zb1，前上右坐标系，xb1轴指向舰船的右，yb1轴指向舰船的前，zb1轴指向舰船的上；b2坐标系：相对姿态测量装置载体坐标系oxb2yb2zb2，前上右坐标系，xb2轴指向测量装置的右，yb2轴指向测量装置的前，zb2轴指向测量装置的上；n坐标系：导航坐标系oxnynzn，东北天地理坐标系，xn轴指向东，yn轴指向北，zn轴指向天；b1系、b2系和n系的计算坐标系分别为

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性技术的相对姿态测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：坐标系定义；b1坐标系：舰船惯导设备载体坐标系oxb1yb1zb1，前上右坐标系，xb1轴指向舰船的右，yb1轴指向舰船的前，zb1轴指向舰船的上；b2坐标系：相对姿态测量装置载体坐标系oxb2yb2zb2，前上右坐标系，xb2轴指向测量装置的右，yb2轴指向测量装置的前，zb2轴指向测量装置的上；n坐标系：导航坐标系oxnynzn，东北天地理坐标系，xn轴指向东，yn轴指向北，zn轴指向天；b1系、b2系和n系的计算坐标系分别为和记初始时刻为t0，建立惯性坐标系i1、i2和n0，分别由b1和b2坐标系在t0时刻的位置凝固为惯性坐标系i1和i2，系在t0时刻的位置凝固为惯性坐标系n0，i1和i2系的计算坐标系分别为和步骤一、确定姿态转换矩阵，并初始化卡尔曼滤波器；记系到i1系的姿态转换矩阵为系到i2系的姿态转换矩阵为t0时刻的和为姿态转换矩阵；根据舰船惯导设备输出的姿态信息，实时重新计算系到系的姿态转换矩阵t0时刻的姿态转换矩阵即为卡尔曼滤波器的状态向量X为：式中：Φ＝[ΦxΦyΦz]T为t0时刻后任一时刻t的相对姿态向量，θ为船体动态变形引起的相对姿态角向量，单位rad；为θ的微分，θ0为t0时刻θ的值，θi为由陀螺漂移引起的i1和i2两惯性系的误差欧拉角向量，单位rad；ε0为等效常值陀螺漂移，单位rad/s；εr为等效陀螺随机漂移，单位rad/s；步骤二、对步骤一中确定的姿态矩阵进行时间更新，并更新卡尔曼滤波状态转移矩阵；将由船体动态变形引起的相对姿态变化看作是二阶马尔科夫过程，则其对应的滤波器方程可表示为：式中：j＝x,y,z，表示式(2)为坐标系x,y,z的方程组；μ2j为动态不规则系数，λj为动态变形的支配频率，Dj为噪声强度相关参数，wj(t)为零均值单位高斯白噪声；将舰船惯导设备和相对姿态测量装置的陀螺漂移分为常值陀螺漂移ε01、ε02和随机陀螺漂移εr1、εr2两部分；其中：式中：ε01和ε02分别为舰船惯导设备和相对姿态测量装置的常值陀螺漂移，单位rad/s；和分别为ε01和ε02的倒数；用一阶马尔科夫模型近似舰船主惯导和相对姿态测量装置的陀螺随机漂移εr1和εr2，则：式中：j′＝1x,1y,1z,2x,2y,2z，表示式(4)为坐标系1x,1y,1z,2x,2y,2z的方程组；μ1j′为一阶马尔科夫系数，为陀螺随机漂移εr的倒数，εr＝εr2-εr1；σj′为一阶马尔科夫过程的驱动白噪声，wj′(t)为零均值单位高斯白噪声；由于陀螺误差的存在，和会逐渐偏离真正的和即计算坐标系和逐渐偏离坐标系b1和b2；用来分别表示系与b1系、系与b2系之间的姿态转换矩阵；将其对应的姿态角向量分别定义为θε1和θε2；实际上还可以视为系和系逐渐偏离i1系和i2系；用来分别表示系与i1系、系与i2系之间的姿态转换矩阵，同样也代表了由于陀螺的测量误差导致的计算偏差，将其对应的姿态角向量分别定义为θi1和θi2，则：式中：θε1为系偏离b1系的相对姿态角向量，单位rad；θε2为系偏离b2系的相对姿态角向量，单位rad；θi1为系偏离i1系的相对姿态角向量，单位rad；θi2为系偏离i2系的相对姿态角向量，单位rad；为b1系到i1系的姿态转换矩阵，为b2系到i2系的姿态转换矩阵；和分别为θi1和θi2的倒数；ε01和ε02为舰船惯导设备和相对姿态测量装置的常值陀螺漂移，单位rad/s；εr1和εr2为舰船惯导设备和相对姿态测量装置的随机陀螺漂移，单位rad/s；定义：ε0＝ε02-ε01(9)εr＝εr2-εr1(10)θε＝θε2-θε1(11)θi＝θi2-θi1(12)式中：ε0为等效常值陀螺漂移，单位rad/s；ε01和ε02为舰船惯导设备和相对姿态测量装置常值陀螺漂移，单位rad/s；εr为等效陀螺随机漂移，单位rad/s；εr1和εr2为舰船惯导设备和相对姿态测量装置随机陀螺漂移，单位rad/s；θε为b系下计算偏差导致相对姿态角向量，单位rad；θε1为系偏离b1系的相对姿态角向量，单位rad；θε2为系偏离b2系的相对姿态角向量，单位rad；θi为i系下计算偏差导致相对姿态角向量，单位rad；θi1为系偏离i1系的相对姿态角向量，单位rad；θi2为系偏离i2系的相对姿态角向量，单位rad；综上，得到滤波模型的状态矩阵为：其中：式中：和分别为β2在坐标系x,y,z中的分量；μ2为动态不规则系数，λ为动态变形的支配频率；μ2x、μ2y和μ2z分别为μ2在坐标系x,y,z中的分量；μe为等效陀螺随机漂移的一阶马尔科夫系数，μex、μey和μez分别为μe在坐标系x,y,z中的分量；I3×3为单位阵；滤波模型的状态噪声矩阵为：其中：式中：和分别为β2在坐标系x,y,z中的分量；μ2为动态不规则系数，λ为动态变形的支配频率；μ2x、μ2y和μ2z分别为μ2在坐标系x,y,z中的分量；D为噪声强度相关参数，Dx、Dy和Dz分别为D在坐标系x,y,z中的分量；μe为等效陀螺随机漂移的一阶马尔科夫系数，μex、μey和μez分别为μe在坐标系x,y,z中的分量；σe为等效陀螺随机漂移的一阶马尔科夫过程的驱动白噪声，σex、σey和σez分别为σe在坐标系x,y,z中的分量；；I3×3为单位阵；则滤波模型状态方程为：式中：为X的倒数；F为状态矩阵；X为状态量；G为状态噪声矩阵；w为系统噪声；步骤三、计算观测值，并更新观测矩阵；根据姿态矩阵变换关系有下...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，朱红，李群，李永锋，石志兴，王根，刘冲，李瑞贤，李志勇，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11