专利名称：基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法
技术领域：
本发明涉及的是一种船用光纤陀螺测量组件在线标定方法。具体地说，利用捷联航姿基准输出的高精度姿态测量参数作为外部参考信息，建立光纤陀螺测量组件的在线标定模型，利用卡尔曼滤波技术估测出光纤陀螺测量组件的标定参数，完成在线标定的方法。
背景技术：
船用光纤陀螺捷联惯性导航系统是以光纤陀螺测量组件(由三个相互垂直安装的光纤陀螺构成)为核心的载体运动参数测量设备，所以光纤陀螺测量组件的精度直接影响整个惯性导航系统的测量精度。为了提高光纤陀螺测量组件的精度，一方面可以从光纤陀螺的制造工艺上着手；另一方面可以通过提高光纤陀螺测量组件的标定精度来达到提高精度的目的。对于光纤陀螺测量组件的标定工作，目前主要是通过基地级别的标定来完成的， 即在实验室中，利用三轴转台进行速率实验，位置实验对其进行标定。此方法虽然可以保证标定的精度，但是存在操作性差，成本高以及重复性误差等问题。另外，更重要的是在光纤陀螺测量组件经过实验室标定后，由于环境的变化与时间的推移，陀螺的标定参数与基地实验室转台标定结果相比较会发生变化，这将严重影响光纤陀螺测量组件的性能，进而影响整个惯性导航系统的测量精度，因而必须在使用一定时间后重新进行标定。所以根据国内外同类产品的使用经验，目前的常规做法是在使用一定时间(3个月到6个月)后，将光纤陀螺捷联惯性导航系统从船舶上拆卸下来，重新进行基地实验室转台标定。目前船舶使命任务的改变和整体性能的提高，新型船舶应具备长期免维护、免维修的能力，这就要避免从船舶上拆卸光纤陀螺捷联惯性导航系统。利用捷联航姿基准输出作为参考信息，使用滤波方法在线估测出光纤陀螺测量组件的各标定参数，可以完成光纤陀螺惯性测量组件的在线标定任务，避免了定期拆卸光纤陀螺捷联惯性导航系统，改善了船舶的可维修性和可维护性。在CNKI中关于捷联惯导系统在线标定的文章有4篇，分别是《基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法研究及仿真分析》，主要是分析惯性测量单元机载安装方式对在线标定的影响，并提出基于安装方式激励的捷联惯导在线标定算法。《基于组合导航技术的光纤捷联系统在线标定》，主要研究利用速度和位置信息作为外参考信息，进行在线标定。《联邦滤波器在车载组合导航系统标定中的应用》，主要研究在车载环境中，利用 GPS、航位推算系统和捷联惯导系统进行组合，利用一定的路径设计对待标定误差进行激励，达到在线标定的目的。《捷联惯性测量组合标定的仿真研究》，主要研究激光陀螺的在线标定方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高光纤陀螺捷联惯性导航系统的测量精度，避免定期拆卸光纤陀螺捷联惯性导航系统，改善了船舶的可维修性和可维护性，操作简单、方便，成本低的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法。本发明的目的是这样实现的移动式捷联航姿基准作为参考测量基准系统，待标定的光纤陀螺捷联惯导系统作为待测系统，利用捷联航姿基准的姿态信息作为外部参考信息，在捷联航姿基准与光纤陀螺捷联惯导系统间的姿态信息传递过程中，利用滤波器，由三个相互垂直安装的光纤陀螺构成的光纤陀螺测量组件的待标定参数误差被估测并予以补偿。本发明针对船用惯性导航系统的基地实验室标定存在的缺点，根据船用光纤陀螺测量组件随船舶海上在线标定的要求，利用船用移动式捷联航姿基准提供的信息作为参考，建立船用光纤陀螺的在线标定模型，利用滤波方法完成船用光纤陀螺惯性测量组件的在线标定任务。本发明技术具有以下优点在不需要三轴转台等大型基地级别测试设备的情况下，利用船用移动式捷联航姿基准输出的信息作为外参考信息，通过滤波手段在线估测出光纤陀螺测量组件的安装误差、刻度因数误差以及常值漂移误差这三项，从而完成船用光纤陀螺仪的在线标定任务。这种在线标定方法提高了光纤陀螺捷联惯性导航系统的测量精度，避免了定期拆卸光纤陀螺捷联惯性导航系统，改善了舰船的可维修性和可维护性。相对于传统的基地级别标定，还具有操作简单、方便，成本低的优势。动态条件下在线标定光纤陀螺测量组件标定参数的仿真试验结果。试验条件(1)光纤陀螺仪中的待标定参数如下三轴的不垂直安装而引起的安装误差
m (0.01 「0.01 0.01 「0.01 0.01 Γθ 1|Γ三轴刻度因数误差
A (0.01 0.01 0.01 f三轴常值漂移误差
ε (0.001745 Γθ.003491 0.005236广(2)转台可以模拟规则海浪周期运动以及瞬时运动。试验过程利用三轴转台(可模拟横摇、纵摇、艏艉摇运动)模拟舰船周期运动。 将移动式捷联航姿基准与光纤陀螺捷联惯性系统安装在转台台面上。转台进行横摇幅值为 5度、周期5秒，纵摇幅值为2度、周期3秒，艏艉摇幅值为10度、周期7秒的摇摆运动。利用本发明提供的技术对光纤陀螺测量组件在线标定。实验所得结果证明对于安装误差，其标定结果误差低于5% (I实测值-真实值I/真实值)；对于刻度因数误差，其标定结果误差低于6% (I实测值-真实值I/真实值)；对于常值漂移误差， 其标定结果误差低于4% (I实测值-真实值I/真实值)。安装误差角的估测在600秒后趋于稳定，刻度因数误差估测在300秒后趋于稳定，常值漂移误差估测在200秒后趋于稳定。
图1光纤陀螺仪在线标定流程图。图2进行横摇幅值为5度、振荡周期5秒，纵摇幅值为2度、振荡周期3秒，艏艉摇幅值为10度、振荡周期7秒的摇摆运动时，得到光纤陀螺安装误差角估计误差。图3进行横摇幅值为5度、振荡周期5秒，纵摇幅值为2度、振荡周期3秒，艏艉摇幅值为10度、振荡周期7秒的摇摆运动时，得到光纤陀螺标定因数误差估计误差。图4进行横摇幅值为5度、振荡周期5秒，纵摇幅值为2度、振荡周期3秒，艏艉摇幅值为10度、振荡周期7秒的摇摆运动时，得到光纤陀螺常值漂移误差估计误差。
具体实施例方式本实施方式中，移动式捷联航姿基准作为参考测量基准系统，待标定的光纤陀螺捷联惯导系统作为待测系统，利用捷联航姿基准的姿态信息作为外部参考信息，在捷联航姿基准与光纤陀螺捷联惯导系统间的姿态信息传递过程中，利用滤波器，光纤陀螺测量组件(由三个相互垂直安装的光纤陀螺构成)的待标定参数误差被估测并予以补偿。光纤陀螺测量组件的在线标定技术包括如下具体步骤步骤1、将移动式捷联航姿基准通电进行预热准备和初始对准，之后进入正常导航工作状态；步骤2、将移动式捷联航姿基准安装于待标定光纤陀螺捷联惯导系统附近预留的安装基座，并将移动式捷联航姿基准和待标定光纤陀螺捷联惯导系统通过数据传输电缆相连通，确保移动式捷联航姿基准与待标定光纤陀螺捷联惯导系统的信息传输通畅；步骤3、待标定光纤陀螺捷联惯导系统进行预热准备；步骤4、将初始位置参数手工装订至光纤陀螺捷联惯导系统的导航计算机，所述的初始位置参数包括初始的经度、纬度；步骤5、光纤陀螺捷联惯导系统进行初始对准；步骤6、光纤陀螺捷联惯导系统进入导航工作状态，输出三个光纤陀螺的采样值。 所述的光纤陀螺采样值为ω 1約ωγ ωζψο ；步骤7、进行姿态参数传递，将移动式捷联航姿基准输出的姿态量测信息通过数据传输电缆传输至光纤陀螺捷联惯导系统；所述的姿态量测信息包括航向角Ψ、纵摇角Θ、横摇角Υ ；步骤8、利用步骤7得到的姿态量测信息获得实时更新的捷联姿态矩阵C6"cos/COSl^ J sin/sinl/^sine sinl/^cos0 sin7cosfcos7sinl^sin0 * Cl ^ fcos/sinl^ J sin 7 COSl^ sin θ cos cos θ fsin/sinl^ fcos/cosl^sine ^ ^fsin/cos^sin θcos 7 cos θ)步骤9、利用步骤8得到的^；“得到捷联航姿基准系统的参考四元数
权利要求
1.一种基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法，其特征是移动式捷联航姿基准作为参考测量基准系统，待标定的光纤陀螺捷联惯导系统作为待测系统，利用捷联航姿基准的姿态信息作为外部参考信息，在捷联航姿基准与光纤陀螺捷联惯导系统间的姿态信息传递过程中，利用滤波器，由三个相互垂直安装的光纤陀螺构成的光纤陀螺测量组件的待标定参数误差被估测并予以补偿。
2.根据权利要求1所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法， 其特征是包括如下具体步骤步骤1、将移动式捷联航姿基准通电进行预热准备和初始对准，之后进入正常导航工作状态；步骤2、将移动式捷联航姿基准安装于待标定光纤陀螺捷联惯导系统预留的安装基座， 并将移动式捷联航姿基准和待标定光纤陀螺捷联惯导系统通过数据传输电缆相连通；步骤3、待标定光纤陀螺捷联惯导系统进行预热准备；步骤4、将初始位置参数装订至光纤陀螺捷联惯导系统的导航计算机；步骤5、光纤陀螺捷联惯导系统进行初始对准；步骤6、光纤陀螺捷联惯导系统进入导航工作状态，输出三个光纤陀螺的采样值，所述的光纤陀螺采样值为ω Ιωχ ωγ ωζψο ；步骤7、进行姿态参数传递，将移动式捷联航姿基准输出的姿态量测信息通过数据传输电缆传输至光纤陀螺捷联惯导系统；所述的姿态量测信息包括航向角Ψ、纵摇角Θ、横摇角γ ；步骤8、利用步骤7得到的姿态量测信息获得实时更新的捷联姿态矩阵C6"cos/cosi/a J sin/sini/Asine sini/Acos0 sin/cosi/A fcos/sini/Asine * Cl ^ fcos/sini/A J sin/cosi/Asin^ οο^ψ cos θ fsin/sini/A f cosy οο^ψ sine} ^fsin/cos^sin θcos/cos θ),步骤9、利用步骤8得到的^；“得到捷联航姿基准系统的参考四元数Ir ^lr Ilr^r \其中◎小 Γql Γql Γqiq2r' q3r' q4r的绝对值为|礼| ◎去挪 Cc22 Cc33Ccu J C22 Cc33 Tc11 Cc22Jc33q2r' q3r' q4r的符号为sign jq2r sign f32 fC23sign )q3r \ sign jci3 fC31 |
3.根据权利要求2所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法， 其特征是步骤10中Kalman滤波器中的系统状态方程和量测方程如下
4.根据权利要求2或3所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法，其特征是步骤11过程可由下式表示ω~ ω f υ其中补偿标定参数后的光纤陀螺采样值为ω^^ωτ ω~ ωζ《，光纤陀螺测量组件原采样值为《 彳吟(Oy碎^，补偿项_由下式确定 DM其中M由估测出的光纤陀螺测量组件标定参数确定M 1 mxz myX myZ mzx K K K εχ ey εζ ‘。
5.根据权利要求2或3所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法，其特征是步骤10中，Kalman滤波器工作结束的评判标准设置为将步骤9得到的C^与估测四元数q 作差并取其绝对值k ^ii 当qr与q差的绝对值小于0. 0001时，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman滤波器工作结束，否则重新执行步骤7到步骤10，直到满足上述条件。
6.根据权利要求4所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法， 其特征是步骤10中，Kalman滤波器工作结束的评判标准设置为将步骤9得到的C^与估测四兀数q 作差并取其绝对值k ^ii 当qr与q差的绝对值小于0. 0001时，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman滤波器工作结束，否则重新执行步骤7到步骤10，直到满足上述条件。
7.根据权利要求5所述的基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法， 其特征是步骤10中，Kalman滤波器工作结束的评判标准设置为将步骤9得到的C^与估测四兀数q 作差并取其绝对值k ^ii 当qr与q差的绝对值小于0. 0001时，艮口\qr Γq\ } 0.0001Kalman滤波器工作结束，否则重新执行步骤7到步骤10，直到满足上述条件。
全文摘要
本发明提供的是一种基于移动捷联航姿基准的船用光纤陀螺组件在线标定方法。移动式捷联航姿基准作为参考测量基准系统，待标定的光纤陀螺捷联惯导系统作为待测系统，利用捷联航姿基准的姿态信息作为外部参考信息，在捷联航姿基准与光纤陀螺捷联惯导系统间的姿态信息传递过程中，利用滤波器，由三个相互垂直安装的光纤陀螺构成的光纤陀螺测量组件的待标定参数误差被估测并予以补偿。本发明的在线标定方法提高了光纤陀螺捷联惯性导航系统的测量精度，避免了定期拆卸光纤陀螺捷联惯性导航系统，改善了船舶的可维修性和可维护性。相对于传统的基地级别标定，还具有操作简单、方便，成本低的优势。
文档编号G01C25/00GK102155957SQ20111006748
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者于飞, 奔粤阳, 孙枫, 李倩, 高伟 申请人:哈尔滨工程大学