专利名称：适用于摇摆晃动基座的初始对准方法
技术领域：
本发明涉及的是一种船用捷联惯导系统的初始对准方法，具体地说是一种适用于摇摆晃动基座的初始对准方法。
背景技术：
相对于航天器和飞行器来说，船舶的摇摆、晃动(又称为“瞬时线运动”)同时存在的运动状态是其所特有的一种恶劣的运动状态。在瞬时线运动基座条件下，GPS和多普勒计程仪无法提供载体准确的瞬时线速度信息，导致卡尔曼滤波对准过程中量测量(即速度信息)不准确。如果忽略瞬时线运动，会对初始对准产生很大的影响。
对于摇摆，首先必定会使惯导系统产生角速度的输入，会引起数学平台中姿态矩阵Qb的变化，但(^本身应该随着摇摆一起变化。因此不论载体系怎么摇摆，输入的角速度只会影响Qb的值，但不会影响(I的准确性。船舶航行过程中的线运动包括两部分，一部分是由于船舶机动引起的线运动，另一部分是由于海浪作用引起的船舶瞬时线运动，在船舶航行过程中，由于瞬时线运动的幅度较小，在整个速度的量值中所占的比重很小，故在进行卡尔曼滤波对准的过程中可以将此部分忽略。但是，在系泊状态下，由于没有机动所引起的线运动，船舶始终处于受海浪作用引起的升沉和横荡、纵荡运动，即基本上处于瞬时线运动状态。此时，在进行卡尔曼滤波对准的过程中不可以将此部分运动忽略掉。不同海况下对于升沉横荡，可看作加速度作用于惯导系统，即系统中引入了加速度，加速度经过一次积分得到瞬时速度。对于此种瞬时线运动，目前国内还没有很好的测量方法(多普勒计程仪(DVL) 和GPS在系泊状态下测速误差很大)，进而导致在卡尔曼滤波对准过程中的速度量测量误差很大，对基于白噪声误差模型的卡尔曼滤波方法来说，相当于在量 测量中引入了幅值很大的有色噪声，使得最终的估计结果发散。因此在瞬时线运动干扰基座条件下如何提取准确的瞬时线运动信息成为解决问题的关键所在。发明内容
本发明的目的在于提供一种对准时间短、环境适应性强、对准精度高的适用于摇摆晃动基座的初始对准方法。
本发明的目的是这样实现的
步骤一在摇摆加晃动干扰基座条件下，实时地同步采集三轴陀螺的角速率信息和三轴加速度计的比力信息；
步骤二 进行粗对准；
步骤三粗对准结束后，由惯导输出的航向、纵摇和横摇信息，得到载体坐标系和半固定坐标系之间的转化关系；
步骤四将载体坐标系下的加速度信息投影到半固定坐标系下的三个轴上，并进行积分，得到半固定坐标系下速度的相关信息；
步骤五用高通数字滤波器对信号进行处理，得到相对于舒勒周期的高频信号，即船舶瞬时线运动速度信号；
步骤六将已提取的船舶瞬时线运动速度信息作为速度基准，与惯导解算出的速 度相减作差，以所得差值作为卡尔曼滤波的量测量，列写卡尔曼滤波的状态方程和量测方
步骤七将卡尔曼滤波进行离散化，完成对准。
在摇摆加晃动干扰基座条件下，多普勒计程仪和GPS无法提供准确的速度信息， 导致以速度误差为量测量的卡尔曼初始对准最终不能收敛，为了解决这一问题，本发明在 完成粗对准的基础上，使用基于惯性测量的方法，通过设计相应的数字滤波器，将瞬时线运 动信息提取出来，并以此作为速度基准进行量测，完成初始对准。
本发明的优点主要体现在
一、本发明所提出的方法和以位置误差为量测量的卡尔曼滤波方法相比较，由于 速度误差和姿态误差之间的耦合程度比位置误差和姿态误差之间的耦合程度要紧密，因此 对准时间也比以位置误差为量测量的对准方法要短。
二、由于在摇摆和晃动基座下GPS和DVL所测得的速度误差很大，不能用来作为基 准，因此和传统的以速度误差为量测量的卡尔曼滤波方法相比，此方法的环境适应性更强。
三、由于作为速度基准的信息更为准确，和传统的以速度误差为量测量的卡尔曼 滤波方法相比，此方法的对准精度更高。
四、由于作为速度基准的信息更为准确，和传统的以速度误差为量测量的卡尔曼 滤波方法相比，滤波收敛速度更快，有效的缩短了对准时间。


图1为原理框图2为流程图3为粗对准原理图4为初始对准的效果图，其中虚线代表本方法，实线代表传统的卡尔曼滤波方法。
具体实施方式
下面举例对本发明作更详细的描述
步骤一在摇摆加晃动干扰基座条件下，实时地同步采集三轴陀螺的角速率信息 和三轴加速度计的比力信息，完成捷联惯导系统的预热准备，时间约为2个小时；
步骤二 针对如何消除干扰加速度，选用相应的粗对准方案，并完成粗对准；
如何有效地去除由晃动引起的干扰加速度是粗对准的关键，因为载体的摇摆运动 同样会导致加速度计所测的比力信息中产生变化的分量，其反映了载体由于正常的摇摆运 动所产生的航向姿态的变化。因此不能滤掉由于摇摆引起的加速度的变化，即滤波处理不 能在载体坐标系中进行。为了克服解析式粗对准的缺陷，保留摇摆产生的加速度变化而只 滤除瞬时线运动干扰加速度，设计基座惯性系下的粗对准方法。
此方法应用惯性凝固假设，将比力信息投影到基座惯性坐标系中(此时加速度计 的输出中不含由摇摆运动引起的加速度变化)，得到重力加速度相对于惯性空间随着地球旋转而引起的方向变化信息，将其积分，正负干扰加速度被积分掉，求解姿态矩阵 。
定义一个新的坐标系基座惯性坐标系iM，它是在h时刻将载体坐标系b经惯性凝固后得到的，其中h为粗对准的起始时刻。捷联矩阵可表示为
权利要求
1.一种适用于摇摆晃动基座的初始对准方法，其特征是 步骤一在摇摆加晃动干扰基座条件下，实时地同步采集三轴陀螺的角速率信息和三轴加速度计的比力信息； 步骤二 进行粗对准； 步骤三粗对准结束后，由惯导输出的航向、纵摇和横摇信息，得到载体坐标系和半固定坐标系之间的转化关系； 步骤四将载体坐标系下的加速度信息投影到半固定坐标系下的三个轴上，并进行积分，得到半固定坐标系下速度的相关信息； 步骤五用高通数字滤波器对信号进行处理，得到相对于舒勒周期的高频信号，即船舶瞬时线运动速度信号； 步骤六将已提取的船舶瞬时线运动速度信息作为速度基准，与惯导解算出的速度相减作差，以所得差值作为卡尔曼滤波的量测量，列写卡尔曼滤波的状态方程和量测方程；步骤七将卡尔曼滤波进行离散化，完成对准。
2.根据权利要求1所述的适用于摇摆晃动基座的初始对准方法，其特征是所述粗对准是应用惯性凝固假设，将比力信息投影到基座惯性坐标系中，得到重力加速度相对于惯性空间随着地球旋转而引起的方向变化信息，将其积分，正负干扰加速度被积分掉，求解姿态矩阵G。
3.根据权利要求1或2所述的适用于摇摆晃动基座的初始对准方法，其特征是所述卡尔曼滤波的状态方程和量测方程为 I)、状态方程 X(I) = A-X(I) + B- ( ) 状态向量取为1(0=[死执^7ll <pe φ (Pu Vv Vz εχ Sy fij，状态向量中对应的变量分别为东向速度误差、北向速度误差、天向速度误差，纵摇失准角、横摇失准角、航向失准角、X轴加速度计零偏、y轴加速度计零偏、z轴加速度计零偏、X轴陀螺漂移、y轴陀螺漂移、z轴陀螺漂移；式中，ax ay az ωχ coy ωζ分别为加速度计和陀螺在载体坐标系下的噪声，是均值为O、方差为Q(t)、呈正态分布的白噪声；
全文摘要
本发明提供的是一种适用于摇摆晃动基座的初始对准方法。在摇摆加晃动干扰基座条件下，实时地同步采集三轴陀螺的角速率信息和三轴加速度计的比力信息；进行粗对准；由惯导输出的航向、纵摇和横摇信息，得到载体坐标系和半固定坐标系之间的转化关系；将载体坐标系下的加速度信息投影到半固定坐标系下的三个轴上，并进行积分；用高通数字滤波器对信号进行处理；将已提取的船舶瞬时线运动速度信息作为速度基准，与惯导解算出的速度相减作差，以所得差值作为卡尔曼滤波的量测量，列写卡尔曼滤波的状态方程和量测方程；将卡尔曼滤波进行离散化，完成对准。本发明对准时间比以位置误差为量测量的对准方法要短；对准精度更高；环境适应性更强。
文档编号G01C21/16GK103017787SQ20121022592
公开日2013年4月3日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者徐博, 高伟, 周广涛, 奔粤阳, 张鑫, 吴磊, 程建华, 陈世同, 于强, 高洪涛 申请人:哈尔滨工程大学