一种船用惯性导航系统的航向精度实时检测系统及检测方法

摘要

本发明提供一种船用惯性导航设备航向精度实时检测系统及方法。本系统包括：船舶差分全球定位系统单元1、光电经纬仪单元2、姿态信息接口单元3、靶标单元4、数据采集处理单元5等。船舶差分全球定位系统单元1用于保证时间同步，并获得光电经纬仪单元2和靶标单元4的精确位置信息；光电经纬仪单元2和靶标单元4用于测定船舶舷角；姿态信息接口单元3可获得船舶姿态航向信息，通过数据采集处理单元5解算得到船用惯导设备航向精度。本发明提供的装置及方法可以实现航向精度实时测量，减小动态航向精度测量误差，并且提高光电经纬仪的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及导航仪器性能检测领域，具体涉及一种船用惯性导航设备的动态航向精度检 测系统及检测方法。

背景技术

惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件（陀螺仪、加速度计）来测量运载体本身 的角速度、加速度，经过积分和运算得到姿态（航向角、横摇角、纵摇角）、速度和位置，从 而达到对运载体定姿和导航定位的目的。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内，工作 不依赖外界信息，不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

惯性导航设备安装到载体基座上后，存在安装误差角，需要进行安装误差校正，因此必 须对初始安装的导航设备进行航向精度检测。

对于光纤惯性导航设备的陆上静态水平、方位的高精度测量比较容易，而对于海上动态 条件下的高精度测量则非常困难。现行的系泊航行试验过程中采取的平台罗经精度检测方法， 虽然符合国军标的相关要求以及船舶航行试验规范要求，但受当时技术保障条件制约，所引 用的国军标测量方法只能保证航向（即艏向）的相对精度，测试过程中完全由人工完成数据 采集，效率较低。因此现行的精度检测方法不能完全满足作战武器系统对真艏向的高精度要 求。惯性导航设备输出参数的动态高精度检测已经成惯性导航设备试验的瓶颈，成试验鉴 定的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在船舶晃动状态下，精确测量船舶的航向角，并可以实时输 出船舶的航向角，利用此测量值可以校正船用惯性导航设备航向角输出值的精度的船用惯性 导航设备的动态航向精度检测系统，本发明的目的还在于提供一种船用惯性导航设备的动态 航向精度检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括：船舶差分全球定位系统单元1、光电经纬仪单元2、姿态信息接口单元3、 靶标单元4和数据采集处理单元5；船舶差分全球定位系统单元1用于保证检测系统所有单 元的时间同步，并获得光电经纬仪单元2和靶标单元4的精确位置信息，传输至数据采集处 理单元5；光电经纬仪单元2和靶标单元4，接收船舶差分全球定位系统单元1提供的时间同 步信号，用于测定船舶舷角，并传输采集数据至数据采集处理单元5；姿态信息接口单元3， 接收船舶差分全球定位系统单元1提供的时间同步信号，可获得船舶姿态航向信息，传输至 数据采集处理单元5；系统通过数据采集处理单元5处理得到船用惯导设备航向精度；

所涉及的光电经纬仪单元2，包括：陀螺稳定装置6，可见光成像系统7、图像跟踪器8、 主控计算机9、机架10、伺服控制系统11和差分全球定位系统接收天线12；可见光成像系 统7与差分全球定位系统接收天线12安装于机架10上，机架10安装于陀螺稳定装置6上， 将光电经纬仪的视轴和舰体的运动相隔离；；可见光成像系统输出信号至图像跟踪器8，再传 输至主控计算机9；主控计算机9发出指令作用于伺服控制系统11，伺服控制系统11输出控 制信号控制陀螺稳定装置6；通过可见光成像系统7和图像跟踪器8进行靶标实时跟踪；

所涉及的靶标单元4，包括：靶标架台13、标志天线14、差分全球定位系统模块15和 无线电传输模块16；标志天线14、差分全球定位系统模块15安装于靶标架台13顶端，无线 电传输模块16安装于靶标架台13靠近顶端位置。

一种船用惯性导航系统的航向精度实时检测方法，包括以下步骤：

步骤一、利用船舶差分全球定位系统单元1进行各个单元的时间同步，并获取光电经纬 仪单元2位置坐标以及靶标单元4位置坐标，通过大地方位角法可求得两点间的大地方位角 A；

所涉及的大地方位角A光电经纬仪单元2位置、靶标单元4位置连线与真北向夹角；

步骤二、利用光电经纬仪单元2实时跟踪靶标单元4，得到船舶载体坐标系上的大地方 位角A及靶标舷角q，并计算得到观测航向角H；

所涉及的观测航向角H的表达式：

H＝A-q

步骤三、根据姿态信息接口单元4同步输出的惯导设备所测得的航向角H_p，在数据采集 处理单元5中进行解算，可得到航向偏差ΔH；

所涉及的航向偏差ΔH的表达式：

ΔH＝H_p-H

本发明的有益效果在于，综合使用了大地测量、光电跟踪、惯性测量方法，可以在船舶 晃动状态下实时测得航向角偏差，解决了光学测量仪器在船舶处于系泊或者靠岸行驶状态时 测量误差较大的问题，而且结合惯性导航设备实时输出航向角偏差，航向角精度试验提供更 可靠的数据支持。

附图说明

图1为本发明系统总体构成示意图。

图2为光电经纬仪单元构成示意图。

图3为光电经纬仪单元基本结构示意图。

图4为靶标单元基本结构示意图。

图5为大地方位角与航向和舷角的关系。

图6为系统安装位置简易图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

附图标记：1船舶DGPS单元，2光电经纬仪单元，3姿态信息接口单元，4靶标单元， 5数据采集处理单元；6陀螺稳定装置，7可见光成像系统，8图像跟踪器，9主控计算机， 10光电经纬仪机架，11伺服控制系统，12船舶DGPS天线；6双轴陀螺稳定装置，10光 电经纬仪机架，7可见光成像系统，8图像跟踪器，9主控计算机，11伺服控制系统，12船 舶DGPS天线；13靶标单元架台，14靶标标志天线，15无线电传输模块，16DGPS模块； 17表示船舶艏艉线，18表示光电经纬仪单元主体，19电子设备箱（含光电经纬仪单元2的 伺服控制系统11电路板和主控计算机9电路板，船舶DGPS单元1，以及数据采集处理单元 5），20船舶导航设备（含姿态信息接口单元3），4靶标单元，21校正光电经纬仪初始零位 的平面反光镜。

本发明设计了一种船用动态航向精度实时检测系统及方法，可以精确测量并实时输出船 舶的航向角，利用此测量值可以校正船用惯性导航设备航向角输出值。系统整体构成示意图 如图1所示。

本系统包括：船舶DGPS单元1、光电经纬仪单元2、靶标单元4、姿态信息接口单元3、 数据采集处理单元5等构成。

船舶DSPS单元1：本单元是系统测量的时间基准和船位基准。该模块向光电经纬仪单元、 数据采集处理单元、姿态信息接口单元、靶标单元发送1PPS（每秒1个脉冲）脉冲信号以及 包含时间(t)和船舶船位信息的串口报文。

光电经纬仪单元：本单元通过1PPS信号同步采样标靶在载体坐标系上的舷角和高度角， 通过串行接口发送给数据采样处理单元，供解算使用。该单元包括：陀螺稳定装置6，可见 光成像系统7、图像跟踪器8、主控计算机9、机架10、伺服控制系统11和DGPS天线12等 部分组成，其构成示意图如图2所示。在图3中描述了光电经纬仪单元2的基本结构，陀螺 稳定装置6采用两轴两自由度的稳定结构，用于消除船体的运动过程中，海浪、风等其他扰 动对光电经纬仪造成的影响，将光电经纬仪的视轴和船体的运动相隔离，使光电经纬仪稳定 在固定的惯性空间方向。陀螺稳定平台上搭载光电经纬仪机架10，可见光成像系统7安装于 机架的俯仰轴上，可形成靶标信号图像。图像跟踪器8采用重心跟踪和相关跟踪结合的方式 进行靶标跟踪，并将跟踪信息传递给主控计算机9，经过计算将跟踪所需转动信息传递给伺 服控制系统11，调整光电经纬仪机架10，保证光电经纬仪实时跟踪靶标信号。光电经纬仪通 过光学手段，将船艏艉线当做零位参考，通过实时跟踪靶标信号可实现靶标在载体坐标系上 靶标舷角和高度角的实时测量。保证光纤经纬仪输出的航向角测量值，在最终的数据处理过 程中能与惯性导航设备以及DGPS系统的测量值在时间轴上对准，需要安装在机架俯仰轴上 DGPS天线12的1PPS信号在数据中加入绝对时间标签。

姿态信息接口单元3：该单元利用1PPS同步信号将载体姿态信息（航向角、横摇角、纵 摇角）同步至数据采集处理单元5，供航向角解算之用。该单元的姿态信息主要来源于船舶 的惯性导航设备。

靶标单元4：具体结构图如图4所示，包括靶标架台13，标志天线14，DGPS模块16 以及无线电传输模块15。该单元为光电经纬仪单元2提供一个具有精确坐标的瞄准点，并通 过该单元中的无线传输模块15将具有时间和位置信息的报文传输给数据采样处理单元5。该 单元的精确时间位置信息可以由靶标单元中安装的DGPS模块16测得。该单元需伫立在远离 船舶500m～1500m之间的地方，例如港口岸边，也可通过在水面固定小型船只来构建靶标单 元4。

数据采集处理单元5：该单元通过1PPS信号同步采样姿态信息接口单元数据3、光电经 纬仪单元2测得的目标高度角与舷角数据，以及靶标精确坐标点数据，解算出船舶的真航向。

实施测量具体过程如下：

1.测量系统设备安装与连接

首先需要进行系统设备安装，系统安装位置简易图如图6所示，在船舶艏艉线17上安装 光电经纬仪单元18，其中陀螺稳定装置6，在其上安装光电经纬仪10，光电经纬仪俯仰机架 上安装船舶DGPS天线12和可见光成像系统7。光电经纬仪的伺服控制系统电路板11和主 控计算机电路板9放在位于单独的电子设备箱19内。DSPS信息发送模块和数据采集处理单 元同样置于此电子设备箱19内。姿态信息接口与船舶本身的惯性导航设备相连接于20处。 靶标单元4安装在岸边附近，距离船舶500m～1000m之间，并在靶标上布置DGPS天线，连 接好无线传输模块，保证其与数据采集处理单元的信息通畅。

2.光电经纬仪单元2调平与初始零位的确定

陀螺稳定平台6开始工作，将光电经纬仪的视轴和船舶的运动相隔离，即保证光电经纬 仪的水平放置。同时，沿船舶的船艏艉线方向上安置一反光镜21，保证反光镜21法线水平 且处于船艏艉线上，调节光电经纬仪，保证反光镜法线与经纬仪的视向对准，确认位置对准 后，即可确认船舶的船艏艉线方向光电经纬仪的零位参考方向。

3.航向角误差实时测量

调整光电经纬仪18方向，让光电经纬仪机架俯仰轴上的可见光成像系统7瞄准靶标4， 形成靶标信号图像。图像跟踪器8采用重心跟踪和相关跟踪相结合的方式进行靶标跟踪，并 将跟踪信息传递给主控计算机9，经过计算将跟踪所需转动信息传递给伺服控制系统11，调 整光电经纬仪10，保证光电经纬仪实时跟踪靶标信号，在光电经纬仪零位参考已建立的基础 上，光电经纬仪可实时测量得到靶标在载体坐标系上的舷角和高度角。

启动19中的数据采集处理单元，利用船舶DSPS单元向光电经纬仪单元18、靶标单元4、 姿态信息接口单元20、19中的数据采集处理单元发送1PPS（每秒1个脉冲）脉冲信号以及 包含时间(t)和船舶船位（纬度，经度）(B1,L1)信息的串口报文，由于船舶DGPS天线安装 于光电经纬仪机架10的俯仰轴上，此处提供的船位信息可看做是光电经纬仪的位置信息。

光电经纬仪单元18通过1PPS信号同步采样标靶4在载体坐标系上的舷角q和高度角， 通过串行接口发送给19中的数据采样处理单元5。靶标单元利用1PPS信号将靶标4的位置 (B2,L2)和时间(t)信息同步，通过靶标单元自带无线传输模块15将具有时间(t)和位置 (B2,L2)信息的报文传输给19中的数据采样处理单元5。姿态信息接口单元20通过1PPS同 步信号，将船舶惯性导航设备测量得到的载体姿态（航向角、横摇角、纵摇角）信息同步至 数据采集处理单元5。19中的数据采集处理单元通过1PPS同步信号，可将采集得到光电经 纬仪18位置(B1,L1)信息、靶标4位置(B₂,L₂)信息、姿态信息接口单元20的载体姿态（航 向角H、横摇角R、纵摇角P）信息以及靶标4在载体坐标系上的舷角q进行时间同步，保证 所测数据时间一致性，提高实时测量数据输出的准确性。

根据所得到的数据信息，运用数据采集处理单元5进行计算，具体计算规则如下：

设起点P1光电经纬仪单元坐标(B1,L1)，终点P2靶标单元坐标(B2,L2)，已知两位置 坐标，通过大地方位角法可求得两点间的大地方位角A，如图3所示。大地方位角法属于大 地测量常见方法，此处不予赘述。

具体实施例的系统示意图如图5所示，OXY为载体坐标系的水平表示，OY为船舶艏艉 线，O点处P1光电经纬仪机架，N为真北向，P2点为靶标单元；q为船艏艉线到靶标单元 的舷角，A为由P1、P2点测得的大地方位角，H为系统测量得到的精确航向角；

经过时间同步得到的同一时刻的大地方位角A和靶标舷角q，根据图3中所绘制的角度 关系图，可得到航向角：H＝A-q。

根据姿态信息接口单元输出的惯导设备所测得航向角H_p，可得到航向偏差角： ΔH＝H_p-H。

电子设备箱19中的数据采集处理单元可以经DGPS时间同步后计算得到船舶安装惯性导 航设备的航向偏差值，由于此偏差值可以实时测量、计算得到，因此船舶在晃动或者行进过 程中也可以精确测得航向偏差角并进行输出。

本系统可以应用于船舶处于系泊、匀速直航等运动状态时，从检测系统实时输出的航向 偏差角的大小可以判断安装于船舶上的惯性导航设备的精度。