公开/公告号CN106403943A
专利类型发明专利
公开/公告日2017-02-15
原文格式PDF
申请/专利权人 中国人民解放军理工大学;
申请/专利号CN201610780942.5
申请日2016-08-31
分类号G01C21/16(20060101);G01C1/00(20060101);
代理机构32203 南京理工大学专利中心;
代理人陈鹏;朱显国
地址 211101 江苏省南京市秦淮区双龙街60号
入库时间 2023-06-19 01:29:48
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-08-09
授权
授权
2017-03-15
实质审查的生效 IPC(主分类):G01C21/16 申请日:20160831
实质审查的生效
2017-02-15
公开
公开
技术领域
本发明属于舰船角变形测量技术领域,特别涉及一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法。
背景技术
现代舰船安装有大量高精度的测量设备和武器系统,如雷达、光电跟瞄、导航、火炮、导弹和舰载机等,在信息共享和协同作战中需要建立统一的时间基准和空间坐标系。通常空间基准坐标系由船上最高精度的主惯导提供给各个战位点的子系统使用,但是由于舰船结构的非刚性,当在海上航行时受到海浪冲击、载荷变化和环境温度的影响,各个子系统与主惯导之间将产生船体变形,空间坐标系基准从主惯导传递给子系统时受船体变形影响具有传递对准误差。因此,船体变形测量问题受到了世界各国的高度关注,提出了各种船体变形测量方法,有光学测量法、应力/应变测量法、GPS测量法和惯性量匹配测量法等,其中惯性量匹配测量法具有不需要光学通视条件、不需要第三方观测信息和测量完全自主等优点,通用性和环境适应性强。
惯性量匹配测量方法是一种基于陀螺和加速度计等惯性器件进行变形测量和基准统一的方法。1966年发表于《ProceedingAIAA/JACC Conference Guidance andControl》的“Master reference system for rapid at sea alignment ofaircraftinertial navigation systems”一文介绍了传递对准的方法,提出了船体变形测量的概念。俄罗斯专家Mochalov于2002年在《Proceedings ofSPIE》第4680期发表的“Use ofthering laser units for measurement of the moving object deformations”一文中公开了一种基于惯性空间角速度匹配的激光陀螺组合体测量角变形的方法,该方法的优点是以角速度为观测量,将动态挠曲变形近似为二阶高斯-马尔可夫平稳随机模型且作为状态方程,构建了卡尔曼滤波器,实现了实时、自主地测量角变形的目的,但缺点是激光陀螺输出的是与角度成正比的脉冲信号,无法得到瞬时角速率,输出的平均角速率有很大的量化噪声,若用平均角速度替代瞬时角速度,会引起一定的理论误差,测量的信噪比低;而且动态挠曲变形模型参数不是时变的,不符合船体变形的频谱分布时变的特性。正因为如此,Mochalov提出的角速度匹配测量角变形的方法精度较低。郑佳兴等人发表于2010年《中国惯性技术学报》第2期第175-180页的“基于姿态匹配的船体形变测量方法”一文和2011年《中国惯性技术学报》第1期第6-10页的“考虑准静态缓变量的船体形变测量”一文中都提出对激光陀螺输出的角增量进行积分,重新推导了惯性空间坐标系表示的惯性姿态匹配测量方法,大大提高了测量的信噪比,且考虑了对缓慢变化的静态变形进行了建模。2013年《Int.J.Modeling,Identification,and Control》第19卷第3期第224-234页的“Couplinginfluence of ship dynamic flexure on high accuracy transfer alignment”一文和2014年发表于《The 33rd.Chinese>
综上所述,基于惯性姿态匹配的船体变形测量方法中因交叉相关耦合作用导致了船体变形测量存在偏置性误差,测量精度难以进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法,自适应地补偿交叉相关耦合作用导致的偏置误差,提高船体变形的测量精度。
实现本发明目的的技术方案为:一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法,包括以下步骤:
步骤1:根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列,拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型;
步骤2:利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿,然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器,解算出当前时刻的船体变形角;
步骤3:重复步骤1-步骤2,得到实时测量的船体变形角。
与现有技术相比,本发明的显著效果为:
(1)本发明引入了表征船体动态挠曲变形与船体姿态角之间交叉相关耦合作用的线性相关模型,为惯性角增量的自适应补偿提供了可能;
(2)本发明通过船体变形角增量关于惯性角增量的线性相关模型对陀螺惯性角增量进行补偿,可以有效抑制滤波过程中偏置误差的出现,提高船体变形的测量精度;
(3)本发明可以实时、高精度地测量得到船体变形角,预计在纵挠和横扭方向的角变形估计误差小于5角秒,艏挠方向的角变形估计误差小于15角秒。
附图说明
图1是激光陀螺组合体配置在船体上的示意图。
图2是基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法的总体流程图。
图3是单次滤波时间内线性相关模型的计算流程图。
图4是惯性角增量自适应补偿的计算流程图。
图5是补偿前后船体变形测量的半实物仿真结果图。
具体实施方式
本发明中船体变形的测量装置是利用两套激光陀螺组合体(Laser GyroscopeUnit,LGU)LGU1和LGU2分别放置于船体上待测量的两点,每套激光陀螺组合体由三个相互正交的激光陀螺组成。如图1所示,定义第一激光陀螺组合体LGU1和第二激光陀螺组合体LGU2所在的载体坐标系分别为b1和b2,通过构建以惯性姿态匹配测量方程为观测方程,以长期变形模型,动态挠曲变形模型,等效失调角模型和激光陀螺的随机零偏差值模型为状态方程的卡尔曼滤波器,实时解算出长期变形、动态挠曲变形、等效失调角和激光陀螺的随机零偏差值等各状态的估计值,实现船体变形自主测量的目的。
如图2所示,本发明的一种基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法,包括以下步骤:
步骤1:根据惯性姿态匹配滤波器实时解算的有限长船体变形序列,拟合得到船体变形关于惯性角增量的线性相关模型;
所述惯性姿态匹配的卡尔曼滤波器由一步状态转移方程和一步观测方程组成;
一步状态转移方程由长期变形模型、动态挠曲变形模型、姿态误差差值模型和随机零偏差值模型组成,分别为:
其中,
一步观测方程为:
其中,
将(1)~(5)式写成矩阵形式为:
式中,
H(k)=[I I 0 -A(k) 0]T>
其中,
如图3所示,单次滤波时间内线性相关模型的计算过程为:
根据第k-1时刻前长度为L的船体变形滤波估计
计算得到长度为L-1的船体变形角增量
其中,
已知第一激光陀螺组合体输出的惯性角增量
将船体变形角增量序列表征为关于惯性角增量序列的线性相关模型,得到:
其中,矩阵A、B、C、D为自回归系数,将式(14)和(15)根据式(16)写成矩阵形式,得:
由最小二乘法求解得到自回归系数的最小二乘解
其中,diag(·)表示矩阵的对角元素,得到船体变形角增量关于惯性角增量的线性相关模型为:
步骤2:利用该线性相关模型对两套激光陀螺组合体中的第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行在线补偿,然后根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器,解算出当前时刻的船体变形角;
如图4所示,惯性角增量自适应补偿的计算过程为:
根据船体变形角增量关于惯性角增量的线性相关模型式(19),可得当前第k时刻的线性相关耦合量为:
利用式(20)对第二激光陀螺组合体输出的惯性角增量进行补偿,补偿表达式为:
根据补偿后的两套激光陀螺组合体输出的惯性角增量输入惯性姿态匹配滤波器,解算出当前时刻的船体变形角,解算过程为:
P(k,k-1)=F(k)P(k-1,k-1)FT(k)+W(k)>
K(k)=P(k,k-1)HT(k)[H(k)P(k,k-1)HT(k)+R(k)]-1>
P(k,k)=[I-K(k)H(k)]P(k,k-1) (25)
其中,P(k,k-1)为k时刻的一步状态转移协方差矩阵,K(k)为增益矩阵,P(k,k)为k时刻的估计协方差;初始时刻时
通过(22)~(25)式即可得到当前时刻的状态估计值
补偿后的动态挠曲变形估计量
最终得到第k时刻的船体总变形角
步骤3:重复步骤1-步骤2,得到实时测量的船体变形角。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示,将两套激光陀螺组合体分别放置于船体上待测角形变的两个位置上,进行粗略的初始安装误差角校准,安装误差小于0.1°,以满足姿态匹配测量中小角度近似的要求。
如图2所示,基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法的总体流程为:步骤1、根据惯性姿态匹配滤波器实时解算得到的第k-1时刻船体变形角
如图3所示,首先根据惯性姿态匹配自适应滤波解算得到的船体变形角
如图4所示,在第k滤波时刻,首先根据长度为L的缓存器3中的缓存数据(15)式,按照(20)式计算得到当前k滤波时刻的与惯性角增量交叉相关的船体变形角增量
图5为本发明提供的补偿前后船体变形测量的半实物仿真结果图,其中,图5(a)为纵挠角的真实值和估计值仿真图,图5(b)为横摇角的真实值和估计值仿真图,图5(c)为艏挠角的真实值和估计值仿真图,图5(d)为纵挠角、横摇角、艏挠角的真实值与估计值之间的误差仿真图;设置滤波频率为20Hz,船体变形滤波估计序列长度为L=300*20;其中“真实值”为光学变形监测系统的测量值,其测量精度优于2角秒,可作为船体变形自主测量的精度检定值,“估计值”为基于惯性角增量自适应补偿的惯性姿态匹配测量方法计算的船体变形角。仿真结果表明,纵挠方向和横摇方向变形角的测量误差均方根低于5角秒,艏挠方向变形角的测量误差均方根低于15角秒,可以满足高精度地测量船体变形的要求。
机译: 使用变形或致动元件分割的振动惯性速度传感器的生产方法,惯性传感器,测量方法,惯性速度传感器,惯性速度传感器,匹配方法,匹配电路,角运动测量系统,振动模式重定位方法和角运动测量系统
机译: 用于确定和控制惯性姿态,用于导航以及用于人造卫星的系统,光学传感器和反向旋转光学镜的系统以及用于评估人造卫星的惯性姿态功能的基于地面的测试系统
机译: 单位GPS和车辆姿态角中的测量方法产生的惯性数据(加速度和角速度)