基于光纤捷联惯性系统测量船上任意两位置间距离的方法技术方案

本发明专利技术的目的在于提供基于光纤捷联惯性系统测量船上任意两位置间距离的方法。将两套子惯导系统分别放置在船的两个待测位置上，主惯导系统对准并处于导航状态，采集子惯导系统光纤陀螺仪和石英挠性加速度计输出的数据，分别建立以主惯导系统与两个子惯导系统的速度误差、姿态误差及杆臂长度作为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程，分别估计出两个子惯导系统和主惯导系统之间的距离，并矢量做差，得到两个待测位置的距离。本发明专利技术具有对准时间短、对准精度高、对器件的要求宽松等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种用于导航领域的船舶上两位置间距离的测量方法。
技术介绍
捷联惯性导航系统是将惯性传感器固联在载体上，直接测量载体的加速度和角速 度等运动信息，通过导航计算机对惯性传感器采集的信息进行处理，得到载体的姿态，速度 及位置等导航信息的完全自主导航设备。船上一般有两套或多套惯导系统，船本身有一套 精度较高的惯导系统，称为主惯导系统。船上的附属装备自身有一套惯导系统，称为子惯导 系统。捷联惯性导航系统在进入导航状态前，需要确定导航的初始条件，包括初始速度、位 置和姿态等，这个过程就是初始对准。根据载体在初始对准时的运动状态可以将初始对准 分为两类静基座对准和动基座对准。传递对准技术就是在动基座条件下，利用载体上已对 准的高精度主惯导的信息，采用惯性信息匹配方法确定子惯导的导航初始信息及坐标系的 指向。传递对准具有对准时间短、对准精度高、对器件的要求宽松等优点。传递对准的方 法可分为两类一类是计算参数匹配，包括速度匹配和位置匹配；另一类是测量参数匹配， 包括加速度匹配、角速度匹配和姿态匹配。其中速度匹配传递对准是目前为止较为成熟的 匹配方法之一，它利用主惯导和子惯导之间的速度差作为观测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供对准时间短、对准精度高、对器件要求宽松的基于光纤捷 联惯性系统测量船上任意两位置间距离的方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术，其特征是(1)将两套光纤陀螺捷联惯系统Sl和s2作为子惯导系统分别放置在船的两个待 测位置上；(2)将船上的高精度主惯导系统η对准并处于导航状态；(3)将子惯导系统si和S2预热后，分别采集光纤陀螺仪和石英挠性加速度计输出 的数据；(4)建立以主惯导系统η和si子惯导系统si的速度误差、姿态误差及杆臂长度作 为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程；(5)利用卡尔曼滤波技术进行状态估计，实时的估计出子惯导系统Sl和主惯导系 统η之间的距离rlp;(6)建立以主惯导系统η和s2子惯导系统的速度误差、姿态误差及杆臂长度作为 状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程；(7)利用卡尔曼滤波技术进行状态估计，实时的估计出子惯导系统s2和主惯导系 统η之间的距离r2p;(8)将得到的两套子惯导系统si和s2和主惯导系统n之间的距离rlp、r2p矢量 做差，得到两个子惯导系统si和s2和之间的距离、即两个待测位置的距离。本专利技术的优势在于由于船上的环境复杂，一般很难测算船体上两个位置间的距 离。本专利技术利用速度匹配传递对准，建立以速度误差、姿态误差及杆臂长度作为状态变量的 卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程，利用卡尔曼滤波方法实时的估计出 子惯导和主惯导之间的距离。传递对准具有对准时间短、对准精度高、对器件的要求宽松等 优点。附图说明图1为本专利技术的光纤捷联惯性系统在船上的位置示意图；图2为本专利技术的流程图；图3为仿真得到的子惯导si与主惯导η之间的距离的估计曲线图；图4为仿真得到的子惯导s2与主惯导η之间的距离的估计曲线图；图5为仿真得到的子惯导si与子惯导s2之间的距离的估计曲线图；图6为仿真得到的子惯导si与子惯导s2之间的距离的误差曲线图。具体实施例方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述结合图1 2，本专利技术 分以下步骤(1)为了测量船上某两个位置之间的距离，首先在船上待测的两个位置上各放置 一套光纤捷联惯导系统，用si、s2分别表示两套子惯导系统。(2)将两套光纤陀螺捷联惯导系统预热后，分别采集光纤陀螺仪和石英挠性加速 度计输出的数据。(3)船上的高精度主惯导系统已经对准并处于导航状态，利用船上主惯导系统输 出的惯性信息，同时对si子惯导系统和s2子惯导系统进行速度匹配传递对准。坐标系η 代表主惯导的导航坐标系。利用惯导基本方程，对于主惯导有 其中广“为运载体相对于地球的加速度向量；fn为加速度计测量的比力向量；<为 地球自转角速度为载体运动引起的导航系相对于地球坐标系运动的角速度；vn为载体 相对于地球的运动速度向量；gn为重力矢量。(4)对于Sl子惯导系统，建立主惯导系统和Sl子惯导系统的速度匹配误差方程， 由于子捷联惯导系统si和主惯导系统安装的位置不同，主子惯导系统会敏感到不同的加 速度，用rlp表示主惯导和子惯导si之间的距离，则杆臂效应产生的加速度计误差为 其中(Oib为陀螺仪的输出主惯导和子惯导si之间的速度误差方程SV 二 /" X 病—(2< +<)X SVnl + Cyb + CnbSfbx (3)其中V6为加速度计零偏。主子惯导间的失准角为Ct1 = Τ，则失准角微分方程φλ=φλ^ Ι+εη +//"(4)其中ε “为主惯导的陀螺漂移，μη为噪声项。一般将陀螺仪和加速度计的误差表述为随机常值和白噪声误差，则有eb =0(5)Va = O(6)(5)建立以主惯导系统和Sl子惯导系统速度误差和姿态误差为状态变量的卡尔 曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程根据式(3)、(4)、(5)及(6)可以得到速度匹配传递对准的状态方程 碎"’ =T' XΦ, -(2死'+ ω)χ W +V"' φλ=-ωΙχφχ+εη' +μη' V" =0 一 =0(7)速度匹配传递对准以主子惯导间的速度误差作为观测量，因此的速度匹配卡尔曼 滤波方程如下状态方程X(t)= A(t)X{t) + B{t)W{t)(8)量测方程Z(t) =H (t) X (t) +ν (t) (9)其中X(t)为t时刻系统的状态向量；A(t)和B(t)分别为系统的状态矩阵和噪声 矩阵；w(t)为系统噪声向量；Z(t)表示t时刻系统的量测向量；H(t)表示系统的量测矩阵； v(t)表示系统的量测噪声；系统的状态向量为X = \dVx SVy φχ <j)y φζ Vx Vr εχ sy ε2 r\px rlpy rl/"PZ W = 系统的白噪声向量为W = [wax Way Wex WEy其中5^、5\分别表示东向、北向的速度误差；(^、(^、(^分别为东向、北向、天 向失准角；K、V，分别为χ、γ、ζ轴加速度计零偏；ε χ、ε y、ε z分别为X、Y、Z轴陀螺的常 值漂移；wax、way分别为X、Y轴加速度计的白噪声误差；wEX、wEy、wEZ分别为X、Y、Z轴陀螺 的白噪声误差；系统的状态转移矩阵和观测矩阵为At) 二其中"4x5ΛΧ8_ C D “_o8x5O8X8.Β(0 = 9_^8x5 O8x5 _5 A5x8 - Cnb =H(t)= "ie表示地球自转角速度少表示当地纬度；速度匹配传递对准取主惯导和子惯导间的速度差作为观测量，因此量测矩阵为 100000000000 0" 010000000000 0_利用卡尔曼滤波技术估计出主惯导和子惯导Sl之间的距离rlp，rlp是以船摇摆中 心为原点的向量。 (6)按照步骤(4)中的方法，建立主惯导系统和s2子惯导系统的速度匹配误差方 程，用r2D表示主惯导和子惯导s2之间的距离，主惯导和子惯导s2之间的速度误差方程SV2" = Γ χφ2-(2ω + <)χSV2" + QnVft + CnbSf2'失准角微分方程 (7)建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于光纤捷联惯性系统测量船上任意两位置间距离的方法，其特征是：（１）将两套光纤陀螺捷联惯系统ｓ１和ｓ２作为子惯导系统分别放置在船的两个待测位置上；（２）将船上的高精度主惯导系统ｎ对准并处于导航状态；（３）将子惯导系统ｓ１和ｓ２预热后，分别采集光纤陀螺仪和石英挠性加速度计输出的数据；（４）建立以主惯导系统ｎ和ｓ１子惯导系统ｓ１的速度误差、姿态误差及杆臂长度作为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程；（５）利用卡尔曼滤波技术进行状态估计，实时的估计出子惯导系统ｓ１和主惯导系统ｎ之间的距离ｒ１↓［ｐ］；（６）建立以主惯导系统ｎ和ｓ２子惯导系统的速度误差、姿态误差及杆臂长度作为状态变量的卡尔曼滤波状态方程及速度误差为量测量的量测方程；（７）利用卡尔曼滤波技术进行状态估计，实时的估计出子惯导系统ｓ２和主惯导系统ｎ之间的距离ｒ２↓［ｐ］；（８）将得到的两套子惯导系统ｓ１和ｓ２和主惯导系统ｎ之间的距离ｒ１↓［ｐ］、ｒ２↓［ｐ］矢量做差，得到两个子惯导系统ｓ１和ｓ２和之间的距离、即两个待测位置的距离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高伟，王武剑，奔粤阳，王根，徐博，孙伟，胡丹，唐李军，赵桂玲，李国强，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]