專利名稱：光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測量方法，特別是涉及一種捷聯慣導系統的初始對準技術，尤其涉及一種船用光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的系泊精對準方法。
背景技術：
慣性導航系統利用陀螺儀、加速度計測量載體在慣性空間的線運動和角運動，通過合理的機械編排和控制實現導航定位。捷聯慣導系統的初始對準是指在載體進行自主導航之前通過一定的方法給出載體的初始姿態矩陣。捷聯慣導系統導航精度在很大程度上取決于初始對準的精度，因此在導航前得到精確的初始姿態陣尤為重要。
初始對準按基座的運動情況，可分為靜基座對準和動基座對準。大量文獻和工程實踐證明，對于船用光纖陀螺捷聯慣導系統，其靜基座對準無論在時間上還是在精度上，都達到了很好的要求。在復雜的海洋環境中，由于陣風、浪涌等不確定性干擾的影響，艦船無法對地靜止，加速度計信息受到嚴重污染，因而對準效果往往不太好。而傳統的精對準方法(如二階調平法)在系泊條件下由于受到垂蕩、縱蕩、橫蕩或高頻隨機干擾時對準性能大大下降，往往不能滿足對準的精度要求。羅經回路法和方位估算法在艦船的系泊環境下無法使用，因此如何提高不確定干擾條件下船用光纖陀螺捷聯慣導系統系泊精對準的精度有著十分重要的意義。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠有效提高船用光纖陀螺捷聯慣導系統系泊精對準精度的光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法。
本發明的目的是這樣實現的 本發明包括下列步驟 (1)采集光纖陀螺捷聯慣導系統光纖陀螺儀組件和石英撓性加速度計組件的輸出數據，確定精對準的捷聯矩陣初值Cbn′(0)。
(2)設計兩級抽取、三級子濾波的FIR低通濾波器，處理加速度計輸出信息在計算慣性坐標系內的投影，得到重力矢量，并據此求得系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度； (3)建立慣性系下以速度誤差和失準角為狀態變量的卡爾曼濾波狀態方程及慣性系速度為量測量的量測方程，利用卡爾曼濾波估計出失準角。
(4)利用步驟(3)估計得到的失準角對姿態矩陣Cbn′進行誤差補償，得到精確的姿態矩陣，根據姿態矩陣得到載體姿態，完成初始對準，進入導航。
本發明還可以包括如下特征 1、步驟1中所述的精對準捷聯矩陣初值 其中θ、γ、

是粗對準結束時刻的縱搖角、橫搖角和航向角。
2、設計FIR低通濾波器。依據采樣信號與期望信號之間的關系設計兩級抽取、三級子濾波的級聯濾波方案。FIR低通濾波器由三個子濾波器和兩個抽取模塊組成。圖2中sub-filter表示子濾波器，子濾波器都是設計為帶通濾波器，decimation表示抽取模塊，M1和M2是抽取模塊的系數。含有不確定性擾動的加速度計輸出信息經過計算可以得到其在計算慣性坐標系內投影的計算值 將信息fi′經過級聯濾波器濾波，濾除高頻不確定性干擾，得到計算慣性系內的低頻重力矢量 gi＝FFIR(fi′) 對于當前t時刻的輸入fi，濾波器的輸出結果則對應于tM(tM＝t-delay)時刻的值。
將低頻重力矢量gi經過積分運算，得到系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度 3、建立慣性系下以速度誤差和失準角誤差為狀態變量的卡爾曼濾波狀態方程及慣性系速度為量測量的量測方程；估計出失準角并對姿態矩陣Cbn′進行誤差補償，得到精確的姿態矩陣，根據姿態矩陣得到載體姿態，完成初始對準，進入導航。
1)建立卡爾曼濾波狀態方程 使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的狀態誤差 系統的狀態向量為
系統的白噪聲向量為 其中δVE、δVN、δVD分別表示X、Y、Z軸的速度誤差；

分別為X、Y、Z軸加速度計的零偏；εx、εy、εz分別為X、Y、Z軸陀螺的常值漂移；

分別為X、Y、Z軸加速度計的白噪聲誤差；

分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差； 系統噪聲系數矩陣為 系統的狀態轉移矩陣為 其中 Cbi由陀螺的輸出通過四元數更新得到。t0為精對準開始時間。
2)建立卡爾曼濾波的量測方程 使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的量測方程如下 Z(t)＝H(t)X(t)+V(t) 其中，Z(t)表示t時刻系統的量測向量；H(t)表示系統的量測矩陣；V(t)表示系統的測量噪聲； 系統量測矩陣為 H(t)＝[I3×3 03×9] 量測量為 其中 則系統的狀態方程為 根據系統的狀態方程和量測方程，用卡爾曼濾波估計出失準角
4、利用步驟3估計出的誤差失準角

得到計算坐標系與真實坐標系之間的姿態誤差矩陣


其中

表示

的反對稱矩陣
根據 對捷聯矩陣Cbn進行修正，得到精對準結束后的捷聯矩陣Cbn。
根據Cbn(t)可以得到載體姿態，即縱搖角、橫搖角和航向角的主值如下


由上述三個主值判斷真值的公式如下 θ＝θ主

至此，初始對準完成，可以進入導航狀態。
本發明的方法具有如下優點(1)在較為惡劣的對準環境中，比如受陣風、涌浪等影響，加速度計輸出通過低通FIR濾波器后，橫蕩、縱蕩、垂蕩等高頻擾動分量顯著衰減，低頻重力信號在較好的精度范圍內保持不變，采用慣性系kalman濾波精對準算法，計算過程中進一步消除剩余的周期干擾，對準精度大大提高；(2)克服了傳統的羅經回路法和方位估算法在系泊環境下無法使用的缺點，并且不需要其它設備提供外信息，在不增加系統成本的條件下，可以達到較高適用精度的要求。
為了驗證本發明的實用性，進行了三組系泊實驗，選取自行研制的光纖陀螺捷聯慣性系統(以下簡稱光纖陀螺捷聯慣導系統)進行實驗。光纖陀螺捷聯慣導系統的光纖陀螺零偏為0.01°/h，加速度計零偏為5×10-5g。以PHINS與GPS組合作為姿態基準，使用時先將PHINS與GPS做組合對準，然后使PHINS處于組合導航狀態。將它輸出的姿態角與姿態基準做比較確定對準的精度。以下結果中的姿態誤差曲線都是姿態基準的輸出與光纖陀螺捷聯系統的輸出相減得到的。
(1)無錫太湖系泊實驗 2008年8月15日，在無錫太湖做了系泊對準實驗，實驗結果如圖6-圖11所示。
(2)松花江系泊實驗 2008年10月，為了驗證光纖陀螺慣性系統快速系泊對準方法和慣性系下光纖陀螺慣性系統系泊精對準方法的實際對準效果，在松花江上進行了對準實驗，實驗結果如圖12-圖17所示。從對準結果可以看出，水平對準精度優于0.02°，航向對準精度優于0.06°。
(3)江西九江系泊實驗 2008年12月18日，在江西九江做了系泊對準實驗，實驗結果如圖18-圖23所示，其對準結果與松花江系泊實驗和無錫系泊實驗的基本一致。
以上三組實驗結果表明，光纖陀螺慣性系統系泊精對準方法在艦船系泊條件可以提高慣性系統的對準精度，使其達到工程應用的標準。


圖1系泊精對準原理圖；圖2 FIR濾波器級聯濾波方案；圖3第一級FIR濾波器的幅頻特性；圖4第二級FIR濾波器的幅頻特性；圖5第三級FIR濾波器的幅頻特性；圖6無錫太湖系泊對準實驗航向誤差曲線；圖7無錫太湖系泊對準實驗縱搖誤差曲線；圖8無錫太湖系泊對準實驗橫搖誤差曲線；圖9松花江系泊對準實驗航向誤差曲線；圖10松花江系泊對準實驗縱搖誤差曲線；圖11松花江系泊對準實驗橫搖誤差曲線；圖12九江系泊對準實驗航向誤差曲線；圖13九江系泊對準實驗縱搖誤差曲線；圖14九江系泊對準實驗橫搖誤差曲線。
具體實施例方式 下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述 (1)采集光纖陀螺捷聯慣導系統光纖陀螺儀組件和石英撓性加速度計組件的輸出數據，利用粗對準給出的姿態信息，建立載體坐標系b和計算地理坐標系n′之間的轉換矩陣Cbn′，將粗對準結束時刻得到的矩陣C作為精對準的初始捷聯矩陣Cbn′(0) i和n之間的轉換矩陣Cin(t)為 其中λ和L分別為捷聯航姿系統所在的經度和緯度，ωie為地球自轉角速率； 初始時刻載體坐標系b和計算慣性坐標系i′之間的轉換矩陣 Cbi′由導航計算機對陀螺儀敏感的角速度信號采用四元數算法實時計算，建立與Cbi′相對應的四元數為 時時更新Q，得到與Q相對應的
(2)設計FIR低通濾波器。依據采樣信號與期望信號之間的關系設計兩級抽取、三級子濾波的級聯濾波方案。FIR低通濾波器由三個子濾波器和兩個抽取模塊組成。圖2中sub-filter表示子濾波器，子濾波器都是帶通濾波器，decimation表示抽取模塊，M1和M2是抽取模塊的系數。對于當前t時刻的輸入fi，濾波器的輸出結果則對應于tM(tM＝t-delay)時刻的值。根據Malab/fdatool提供的濾波器設計工具，并根據實際采樣頻率，設計三個子濾波器，相應的幅頻特性曲線如圖3-5所示。對于當前t時刻的輸入fi，濾波器的輸出結果則對應于tM(tM＝t-delay)時刻的值。含有不確定性擾動的加速度計輸出信息 含有不確定性擾動的加速度計輸出信息經過計算可以得到其在計算慣性坐標系內投影的計算值 將信息fi′經過級聯濾波器濾波，濾除高頻不確定性干擾，得到計算慣性系內的低頻重力矢量 gi＝FFIR(fi′)(7) 對于當前t時刻的輸入fi，濾波器的輸出結果則對應于tM(tM＝t-delay)時刻的值。將低頻重力矢量gi經過積分運算，得到系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度 (3)建立慣性系下以速度誤差和失準角誤差為狀態變量的卡爾曼濾波狀態方程及慣性系速度為量測量的量測方程；估計出失準角

對姿態矩陣Cbn′進行誤差補償，得到精確的姿態矩陣，根據姿態矩陣得到載體姿態，完成初始對準，進入導航。
1)建立卡爾曼濾波狀態方程 使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的狀態誤差 其中X(t)為t時刻系統的狀態向量；F(t)和G(t)分別為系統狀態矩陣和噪聲矩陣；W(t))為系統的噪聲向量； 系統的狀態向量為
系統的白噪聲向量為 其中δVE、δVN、δVD分別表示X、Y、Z軸速度誤差；

分別為X、Y、Z軸加速度計的零偏；εx、εy、εz分別為X、Y、Z軸陀螺的常值漂移；

分別為X、Y、Z軸加速度計的白噪聲誤差；

分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差； 系統噪聲系數矩陣為 系統的狀態轉移矩陣為 其中 t0為粗對準開始時間。
2)建立卡爾曼濾波的量測方程 使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的量測方程如下 Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)(15) 其中，Z(t)表示t時刻系統的量測向量；H(t)表示系統的量測矩陣；V(t)表示系統的測量噪聲； 系統量測矩陣為 H(t)＝[I3×3 03×9](16) 量測量為 其中 則系統的狀態方程為 根據系統的狀態方程和量測方程，用卡爾曼濾波估計出失準角
(4)利用步驟(3)估計出誤差失準角

得到計算坐標系與真實坐標姿態之間的誤差矩陣


其中

表示

的反對稱矩陣
根據式對捷聯矩陣Cbn進行修正，得到精對準結束后的捷聯矩陣Cbn。
根據Cbn(t)可以得到載體姿態，即縱搖角、橫搖角和航向角的主值如下


由上述三個主值判斷真值的公式如下 θ＝θ主

至此，初始對準完成，可以進入導航狀態。
權利要求
1、一種光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法，其特征包括以下步驟
(1)采集光纖陀螺捷聯慣導系統光纖陀螺儀組件和石英撓性加速度計組件的輸出數據，確定精對準的捷聯矩陣初值Cbn′(0)；
(2)設計兩級抽取、三級子濾波的FIR低通濾波器，處理加速度計輸出信息在計算慣性坐標系內的投影，得到重力矢量，并據此求得系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度；
(3)建立慣性系下以速度誤差和失準角為狀態變量的卡爾曼濾波狀態方程及慣性系速度為量測量的量測方程，利用卡爾曼濾波估計出失準角；
(4)利用步驟(3)估計得到的失準角對姿態矩陣Cbn′進行誤差補償，得到精確的姿態矩陣，根據姿態矩陣得到載體姿態，完成初始對準。
2、根據權利要求1所述的光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法，其特征是
所述的精對準捷聯矩陣初值
其中θ、γ、
是粗對準結束時刻的縱搖角、橫搖角和航向角。
3、根據權利要求2所述的光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法，其特征是
所述的設計兩級抽取、三級子濾波的FIR低通濾波器的方法為依據采樣信號與期望信號之間的關系設計兩級抽取、三級子濾波的級聯濾波方案，FIR低通濾波器由三個子濾波器和兩個抽取模塊組成，其中sub-filter表示子濾波器，子濾波器都是設計為帶通濾波器，decimation表示抽取模塊，M1和M2是抽取模塊的系數；含有不確定性擾動的加速度計輸出信息經過計算得到其在計算慣性坐標系內投影的計算值
將信息fi′經過級聯濾波器濾波，濾除高頻不確定性干擾，得到計算慣性系內的低頻重力矢量
gi＝FFIR(fi′)
對于當前t時刻的輸入fi，濾波器的輸出結果則對應于tM(tM＝t-delay)時刻的值；將低頻重力矢量gi經過積分運算，得到系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度
4、根據權利要求3所述的光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法，其特征是
所述的建立慣性系下以速度誤差和失準角誤差為狀態變量的卡爾曼濾波狀態方程及慣性系速度為量測量的量測方程；估計出失準角并對姿態矩陣Cbn′進行誤差補償，得到精確的姿態矩陣，根據姿態矩陣得到載體姿態，完成初始對準，進入導航；
1)建立卡爾曼濾波狀態方程
使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的狀態誤差
系統的狀態向量為
系統的白噪聲向量為
其中δVE、δVN、δVD分別表示X、Y、Z軸的速度誤差；
分別為X、Y、Z軸加速度計的零偏；εx、εy、εz分別為X、Y、Z軸陀螺的常值漂移；
分別為X、Y、Z軸加速度計的白噪聲誤差；
分別為X、Y、Z軸陀螺的白噪聲誤差；
系統噪聲系數矩陣為
系統的狀態轉移矩陣為
其中
t0為精對準開始時間；
2)建立卡爾曼濾波的量測方程
使用一階線性隨即微分方程來描述捷聯航姿系統的量測方程如下
Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)
其中，Z(t)表示t時刻系統的量測向量；H(t)表示系統的量測矩陣；V(t)表示系統的測量噪聲；
系統量測矩陣為
H(t)＝[I3×3 03×9]
量測量為
其中
則系統的狀態方程為
根據系統的狀態方程和量測方程，用卡爾曼濾波估計出失準角
5、根據權利要求4所述的光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的精對準方法，其特征是
利用步驟3估計出的誤差失準角
得到計算坐標系與真實坐標系之間的姿態誤差矩陣
其中
表示
的反對稱矩陣
根據
對捷聯矩陣Cbn進行修正，得到精對準結束后的捷聯矩陣；Cbn。
根據Cbn(t)得到載體姿態，即縱搖角、橫搖角和航向角的主值如下
由上述三個主值判斷真值的公式如下
θ＝θ主
至此，初始對準完成，進入導航狀態。
全文摘要
本發明提供的是一種船用光纖陀螺捷聯慣導系統消除不確定性干擾的系泊精對準方法。對于系泊狀態下的船用光纖陀螺捷聯慣導系統，縱蕩，橫蕩，垂蕩等不確定性干擾造成加速度計的輸出信息嚴重污染，很難得到精確的捷聯矩陣。設計兩級抽取、三級子濾波的FIR低通濾波器，處理加速度計輸出信息在計算慣性坐標系內的投影，濾除高頻不確定性干擾，得到低頻慣性系重力矢量，并據此求得系泊條件下載體在慣性空間運動的線速度。利用慣性系重力矢量和慣性空間運動的線速度進行卡爾曼濾波估計失準角，對捷聯矩陣進行補償，得到較為精確的捷聯矩陣，完成船用光纖陀螺捷聯慣導系統系泊精對準，對準精度高。
文檔編號G01C21/10GK101576385SQ200910072338
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月22日 優先權日2009年6月22日
發明者偉 高, 趙桂玲, 柴永利, 博 徐, 強 于, 陳世同, 周廣濤, 高洪濤, 磊 吳, 慧 王 申請人:哈爾濱工程大學