一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法与流程

本发明涉及升沉测量方法领域，尤其涉及一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法领域。

背景技术：

舰船在作业过程中会受到海浪等海洋环境因素扰动，被动地产生六自由度摇荡运动，即沿着三个坐标轴的旋转运动(横摇、纵摇、艏摇)和平移运动(横荡、纵荡、升沉)，其中沿天向轴的升沉运动对舰船影响和危害最大。升沉运动的准确提取在舰船补给、气垫船登陆、货物(集装箱等)吊装搬运方面起着非常重要的作用，精确测量舰船升沉运动十分必要。传统测高方法(如气压测高法、无线电测高法等)的测量精度不高，受外部环境影响较大，对设备要求严格，不适用于海洋环境中的舰船升沉运动测量；而基于惯性导航系统的测量方法抗干扰性强，可在各种复杂环境下自主工作，并且短期精度高，稳定性好，是目前舰船升沉运动测量的主要手段。

但是在已发表的文章中，如在《optik-internationaljournalforlightandelectronoptics》第125卷第14期的刘建业、曾庆化的一篇《akalmanfilteralgorithmbasedonexactmodelingforfoggps/sinsintegration》文章中利用惯导与卫星组合测量升沉，其虽能达到米级的舰船绝对定位精度，但海洋环境下卫星信号易受干扰，测量结果不能满足升沉应用中厘米级的短时相对测量精度要求。还有在《仪器仪表学报》第33卷第1期的孙伟、孙枫的一篇《基于惯导解算的舰船升沉测量技术》文章中分析了捷联惯导系统解算过程对舰船升沉测量的影响，总结了测量升沉运动的具体实施方案并提出利用数字高通滤波器完成对海浪等高频扰动的分离，但存在相位误差的问题。严恭敏、苏幸君、翁浚、秦永元在《导航定位学报》第4卷第2期的《基于惯导和无时延滤波器的舰船升沉测量》文章中采用了无时延滤波器来进行升沉测量，解决了相位误差的问题，但存在低频衰减较慢并且收敛时间较长的缺点。

以上已发表的文章都对升沉测量进行了叙述和探究，但是都没有考虑实际工程应用中捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点、观测点与舰船重力中心点之间的杆臂误差对升沉信息产生的影响。捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差将会产生干扰加速度，干扰加速度通过升沉滤波器将会产生一个瞬态脉冲响应，导致测量的升沉信息产生振荡。观测点与舰船重力中心点通常不在同一点，它们之间的杆臂误差与横纵摇相互作用也会产升升沉误差。因此研究一种带杆臂补偿的舰船升沉测量方法具有创新性和实际工程价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对舰船的升沉测量问题提供了一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，能够实现精确的升沉测量。

本发明是这样实现的：

一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，所述方法包括如下步骤：

(1)给定初始导航参数t＝0时刻：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点ins与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为其中为捷联惯导系统安装点ins与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，为捷联惯导系统安装点ins与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，为捷联惯导系统安装点ins与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；升沉观测点m与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系的投影为其中为升沉观测点m与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中x方向的投影，为升沉观测点m与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中y方向的投影，为升沉观测点m与舰船重力中心点cog之间的杆臂误差在载体坐标系中z方向的投影；

(2)系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；升沉解算周期h，升沉解算周期循环标志k＝0,1,2…，即tk到tk+1时间段代表一个升沉解算周期h，升沉解算周期等于系统采样周期，即h＝h；

(3)递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；

(4)利用步骤3中的方向余弦矩阵和加速度计的输出计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度

(5)利用陀螺的输出和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到重力中心处的升沉加速度

(6)升沉滤波器f(k)对重力中心处的升沉加速度进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pcog(k)；

(7)利用方向余弦矩阵升沉观测点m与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到补偿杆臂效应的观测点m处升沉信息pm(k)。

所述步骤(3)中，由时刻姿态信息纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k)和主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵

其中：

所述步骤(4)中，捷联惯导系统安装点处的升沉加速度其计算方法为：其中为加速度计x方向的输出，为加速度计y方向的输出，为加速度计z方向的输出。

所述步骤(5)中，重力中心处的升沉加速度其计算方法为：

其中：

为陀螺在x方向上的位移输出量，为陀螺在y方向上的位移输出量，为陀螺在z方向上的位移输出量，为陀螺在x方向上的速度输出量，为陀螺在y方向上的速度输出量，为陀螺在z方向上的速度输出量。

所述步骤(6)中，重力中心处的升沉位移信息pcog(k)的计算方法为：

其中：

其中exp()代表指数函数,ωc为升沉滤波器的截止频率，一般选择ωc大于海浪运动中的最长海浪周期的三分之一；h为捷联惯导系统的采样周期。

所述步骤(7)中，所述观测点m处升沉信息pm(k)其计算方法为：

其中，pcog(k)为重力中心点cog处的升沉信息。

本发明的有益效果是：本发明实现了捷联惯导系统带杆臂补偿的的升沉测量，提高了船舶的可操作性。有利于舰载机的起降、舰载武器的发射、气垫船登陆、潜艇浅水行使、钻井平台升沉补偿装置设计、舰船补给等许多方面。

附图说明

图1为本发明的适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述。

一种适用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，包括如下步骤：

步骤1.给定初始导航参数(t＝0时刻)：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影升沉观测点m与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影

步骤2、系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；升沉解算周期h，升沉解算周期循环标志k＝0,1,2…，即tk到tk+1时间段代表一个升沉解算周期h。升沉解算周期等于系统采样周期，即h＝h。

步骤3、递推测量tk时刻载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵。利用时刻姿态信息：纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k),主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵

其中

c11(k)＝cosζ(k)(cosγ(k)·cosψ(k)+sinγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k))-sinζ(k)·sinψ(k)·cosθ(k)

c12(k)＝sinζ(k)(cosγ(k)·cosψ(k)+sinγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k))-cosζ(k)·sinψ(k)·cosθ(k)

c13(k)＝sinγ(k)·cosψ(k)-cosγ(k)·sinψ(k)·sinθ(k)

c21(k)＝cosζ(k)(-cosγ(k)·sinψ(k)+sinγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k))-sinζ(k)·cosψ(k)·cosθ(k)

c22(k)＝-sinζ(k)(-cosγ(k)·sinψ(k)+sinγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k))+cosζ(k)·cosψ(k)·cosθ(k)

c23(k)＝-sinγ(k)·sinψ(k)-cosγ(k)·cosψ(k)·sinθ(k)

c31(k)＝cosζ(k)(-sinγ(k)·cosθ(k))-sinζ(k)·sinθ(k)

c32(k)＝sinζ(k)(-sinγ(k)·cosθ(k))+cosζ(k)·sinθ(k)

c33(k)＝cosγ(k)·cosθ(k)

步骤4、利用步骤3中的方向余弦矩阵和加速度计的输出计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度

步骤5、利用陀螺的输出和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到重力中心处的升沉加速度

其中：

步骤6.升沉滤波器f(k)对重力中心处的升沉加速度进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pcog(k)：

其中

其中exp()代表指数函数，ωc为升沉滤波器的截止频率，一般选择ωc大于海浪运动中的最长海浪周期的三分之一；h为捷联惯导系统的采样周期；

步骤7.利用方向余弦矩阵升沉观测点m与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到补偿杆臂效应的观测点m处升沉信息。

至此就完成了补偿杆臂效应的舰船升沉更新。

综上所述，本发明提供的是捷联惯导系统的一种带杆臂补偿的舰船升沉测量方法。包括：给定初始导航参数(t＝0时刻)：捷联惯导系统初始对准得到初始纵摇姿态角θ(0)、初始横摇姿态角γ(0)、初始艏摇角ψ(0)、主航向角ζ(0)；捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影升沉观测点m与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；利用时刻姿态信息：纵摇角θ(k)、横摇角γ(k)、艏摇角ψ(k),主航向角ζ(k)构成载体坐标系b与半固定坐标系s的关系矩阵；利用上述得到的方向余弦矩阵和加速度计的输出计算得到捷联惯导系统安装点处的升沉加速度利用陀螺的输出和捷联惯导系统安装点与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到重力中心处的升沉加速度升沉滤波器f(k)对重力中心处的升沉加速度进行滤波处理获得重力中心处的升沉位移信息pcog(k)；利用方向余弦矩阵和升沉观测点m与舰船重力中心点之间的杆臂误差在载体坐标系的投影得到补偿杆臂效应的观测点m处升沉信息。至此就完成了补偿杆臂效应的舰船升沉更新。