专利名称：晃动基座下的舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法
技术领域：
本发明涉及的是一种海上导航领域的初始对准技术，特别涉及的是一种晃动基座下的舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法。
背景技术：
旋转调制技术作为一种惯性器件常值误差的自补偿方法，能够自动地对陀螺常值漂移和加速度计零位偏置进行调制，从而提高系统的长时间导航能力，充分发挥惯性导航的“自主性”优势。同常规捷联惯导系统相比，采用旋转调制技术的捷联惯导系统有望在相同器件水平下大幅提高系统的导航精度，具有体积小、质量轻、造价低、可靠性高、隐蔽性好等优点，成为航海领域中运载体主要的导航方式。在海上军事领域，特别是水面舰船和舰载飞行器，对长时间高精度自主定位的需求越来越强烈。舰载机在进入导航工作前必须进行初始对准，初始对准的精度直接影响舰载机的安全与作战能力。按照基座的运动状态，可将初始对准分为静基座对准和动基座对准。大量文献和工程实践证明，对于静基座下的旋转式捷联惯导系统，其初始对准方法大多采用了传统的捷联惯导对准方法，即利用惯性传感器的输出获取粗略的初始姿态阵，再利用Kalman滤波法进行精对准，无论在时间还是精度上，都达到很好要求。但实际应用中，舰船在航行时常常受到风浪的干 扰而产生摇摆、俯仰和偏航等复杂运动，给舰载机的初始对准造成困难，导致陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅度下降，传统解析粗对准误差较大，不满足精对准对初始姿态信息的要求。此外，传统Kalman滤波法在晃动基座下由于受到垂荡、纵荡、横荡等不确定性干扰的影响，造成对准精度下降、甚至滤波发散等问题。因此，对舰载机旋转式捷联惯导系统，采用常规的初始对准方法，难以达到快速高精度自主对准的目的。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效解决舰载机在海风、浪涌、发动机振动等随机干扰环境下自对准问题的晃动基座下舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法。本发明的目的是这样实现的:本发明晃动基座下舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法，其特征是:(I)通过全球定位系统GPS获得载体所在位置的经度入、纬度L，将它们装订至导航计算机中；(2)捷联惯导系统进行预热准备，将标定后的捷联惯导系统安装在双轴转台上，启动系统，采集惯性测量单元IMU中光纤陀螺和石英挠性加速度计的输出信号；(3)系统在进行初始对准和导航过程中，采用双轴转台旋转惯性测量单元IMU来进行惯性器件常值误差的自动补偿，抑制三个轴向的陀螺常值漂移和加速度计零位偏置对系统导航精度的影响，组成旋转式捷联惯导系统，其具体步骤如下:首先，对晃动基座下舰载机旋转式捷联惯导系统自对准过程中使用的坐标系进行定义:I)地球坐标系(e系):原点位于地心,oze轴沿地球自转轴方向，OXe轴位于赤道平面内，从地心指向载体所在点的子午线，oye轴位于赤道平面内，OXe, oye和0%轴满足右手定则。2)地心惯性坐标系(i系):在粗对准起始时刻h将o-xeyeze惯性凝固后形成的坐标系。3)导航坐标系(η系):本文采用地理坐标系为导航坐标系，原点位于载体重心，οχη轴指向东，oyn轴指向北，οζη轴指向天。4)载体坐标系(b系):原点位于载体重心，oxb> oyb和ozb轴分别沿载体横轴指向右、纵轴指向前，立轴指向上。5)基座惯性坐标系(ibci系):在t0时刻将载体坐标系经惯性凝固后的坐标系。6) IMU坐标系(s系):原点位于惯性测量单元IMU的重心,初始时刻IMU坐标系与载体坐标系重合，然后IMU以角速度ω绕旋转轴转动。MU坐标系是随着MU位置改变的一个时变坐标系。惯性测量单元IMU是由三个相互正交的光纤陀螺和三个石英挠性加速度计构成。IMU被装在一个双环框架中，外环轴与载体坐标系的Ozb轴平行，内环轴位于垂直于外环轴的平面。MU绕内环轴以角速度 1连续旋转，同时内环框架和頂U—起绕外环轴以角速度 2连续旋转(其中，O1是ω2的整数倍)，頂U绕内环轴旋转4周后以相同角速度反向继续连续旋转。同样，绕外环轴的旋转在旋转4周后改变方向，以此不停地进行下去；由此得到载体坐标系到IMU坐标系的姿态矩阵G为:
权利要求
1.晃动基座下舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法，其特征是: (1)通过全球定位系统GPS获得载体所在位置的经度\、纬度L，将它们装订至导航计算机中； (2)捷联惯导系统进行预热准备，将标定后的捷联惯导系统安装在双轴转台上，启动系统，采集惯性测量单元IMU中光纤陀螺和石英挠性加速度计的输出信号； (3)系统在进行初始对准和导航过程中，采用双轴转台旋转惯性测量单元IMU来进行惯性器件常值误差的自动补偿，抑制三个轴向的陀螺常值漂移和加速度计零位偏置对系统导航精度的影响，组成旋转式捷联惯导系统，其具体步骤如下: 首先，对晃动基座下舰载机旋转式捷联惯导系统自对准过程中使用的坐标系进行定乂: 1)地球坐标系(e系):原点位于地心,OZej轴沿地球自转轴方向,oxe轴位于赤道平面内，从地心指向载体所在点的子午线，oye轴位于赤道平面内，0\、oye和轴满足右手定则； 2)地心惯性坐标系(i系):在粗对准起始时刻t。将O-XfJyf5Zf5惯性凝固后形成的坐标系； 3)导航坐标系(n系):本文采用地理坐标系为导航坐标系，原点位于载体重心，oxn轴指向东，oyn轴指向北，ozn轴指向天； 4)载体坐标系(b系):原点位于载体重心,oxb、oyb和ozb轴分别沿载体横轴指向右、纵轴指向前，立轴指向上； 5)基座惯性坐标系(ibci系):在t0时刻将载体坐标系经惯性凝固后的坐标系； 6)IMU坐标系(s系):原点位于惯性测量单元IMU的重心,初始时刻IMU坐标系与载体坐标系重合，然后IMU以角速度《绕旋转轴转动。MU坐标系是随着MU位置改变的一个时变坐标系； 惯性测量单元MU是由三个相互正交的光纤陀螺和三个石英挠性加速度计构成。IMU被装在一个双环框架中，外环轴与载体坐标系的Ozb轴平行，内环轴位于垂直于外环轴的平面。MU绕内环轴以角速度(^连续旋转，同时内环框架和MU —起绕外环轴以角速度GJ2连续旋转(其中，％是《2的整数倍)，MU绕内环轴旋转4周后以相同角速度反向继续连续旋转。同样，绕外环轴的旋转在旋转4周后改变方向，以此不停地进行下去；由此得到载体坐标系到MU坐标系的姿态矩阵G为:
全文摘要
一种晃动基座下的舰载机旋转式捷联惯导系统自对准方法,属导航领域。首先获得载体所在位置的经度、纬度，其次采集惯性测量单元中光纤陀螺和石英挠性加速度计的输出信号，再采用双轴转台旋转惯性测量单元IMU对惯性器件的常值误差进行自动补偿，组成旋转式捷联惯导系统。然后以惯性坐标系下的重力加速度作为参考矢量，计算出粗初始姿态阵。再建立系统的状态方程和量测方程，设计渐消自适应Kalman滤波器精确估计载体的失准角，用失准角修正捷联姿态矩阵，完成初始对准，进入导航状态。本方法隔离了舰船晃动对舰载机初始对准的影响，通过渐消自适应Kalman滤波法估计系统的初始姿态阵，抑制了量测噪声中动态随机干扰，实现舰载机旋转式捷联惯导系统快速自对准。
文档编号G01C25/00GK103245360SQ20131014640
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者裴福俊, 朱莉, 刘璇 申请人:北京工业大学