一種基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法
【專利摘要】本發明屬于慣導系統性能評估領域，具體涉及一種針對捷聯慣導系統傳遞對準精度的基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法。本發明包括：將子、主慣導共基座安裝于同一鋁板，構建子、主慣導間方位安裝失準角；將安裝有子、主慣導的鋁板置于高精度轉臺，利用光學瞄準鏡使主慣導的y軸指向正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸指向間的方位安裝誤差角，作為方位安裝誤差角基準值；主慣導開機并完成自對準。該方法獲取對準精度評估的基準在傳遞對準之前，通過基準值和估計值的對比即可實現對準精度的定量評估。避免了對準完成后子慣導進行導航解算和平滑解算，大大降低了計算復雜度和數據存儲需求；可以實現短時間內多次的重復試驗。
【專利說明】
一種基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法
技術領域
[0001] 本發明屬于慣導系統性能評估領域，具體涉及一種針對捷聯慣導系統傳遞對準精 度的基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法。
【背景技術】
[0002] 傳遞對準技術，利用高精度慣導系統作為主慣導可以快速實現中、低精度慣導系 統的初始對準。傳遞對準的精度評估可以有效評估各中傳遞對準方案的精度，用于傳遞對 準方案的評優和優化改進。
[0003] 典型的傳遞對準精度評估方法，通常使傳遞對準結束后的慣導系統進行導航解 算，通過觀測導航誤差對對準結束時刻的殘留失準角進行平滑估計(典型文獻參見于:陳岱 岱.《艦載武器傳遞對準及其精度評估方法研究》.哈爾濱工程大學碩士學位論文.2013)。這 種方法需要進行長時間的慣導解算，并同步存儲慣導解算數據以及卡爾曼濾波的四個矩 陣，再進行貝葉斯平滑解算，最終平滑估計得到導航解算初始時刻的初始誤差值，即為對準 結束時刻的對準誤差。這類算法存在的不足是：（1)涉及大量的數據存儲和計算；（2)受外部 基準信息可靠性的影響較大，對于極區等衛星導航系統覆蓋較弱的區域適用性差；（3)方位 失準角的評估能力較差，實現方位失準角的有效評估依賴于載體的主動機動，對于大型艦 船等機動性能較差的載體，甚至有可能會出現無法精確評估方位失準角的情況。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于提供一種計算量更小、適用范圍廣且能夠有效定量評估傳遞對 準方位失準角的基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] (1)將子、主慣導共基座安裝于同一鋁板，構建子、主慣導間方位安裝失準角；
[0007] (2)將安裝有子、主慣導的鋁板置于高精度轉臺，利用光學瞄準鏡使主慣導的y軸 指向正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸指向間的方位安裝誤差角，作為方位安裝誤 差角基準值；
[0008] (3)主慣導開機并完成自對準，進入導航狀態；
[0009] (4)子慣導開機；
[0010] (5)主慣導向子摜導傳遞位置、速度、姿態矩陣；
[0011] (6)子慣導進行導航解算，同步采集子、主慣導的速度、姿態信息；
[0012] (7)利用卡爾曼濾波進行"速度+姿態"匹配快速傳遞對準解算，估計出子慣導系統 誤差狀態；
[0013] 所涉及的子慣導系統誤差狀態向量為：
[0014]
[0015] 式中，φΜ，φηγ，φηζ為主慣導系到計
算得到的子慣導坐標系之間的相對姿態誤 差;SV x，SVy為子慣導速度誤差；ΦΜ，Φ#，Φ3Ζ為主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐 標系的相對姿態誤差;ν,,?為子慣導三個軸向的加速度計常值零偏;^士士為子慣導 三個軸向的陀螺常值漂移；
[0016] 所涉及的快速傳遞對準系統誤差方程為：
[0017]
[0018] 式中，Φβ=[ <Kx，<Ky，<Kz]T，φ3=[ φ3χ，<Ky，<Kz]T，3V=[5Vx，5Vy] T，es = |>x， 為主慣導坐標系m相對東北天地理坐標系n的旋轉角速度在子慣導坐標系s下的 投影;G為子慣導計算坐標系|轉換至東北天地理坐標系n的轉換矩陣；力為主慣導比力在 子慣導系的投影;私為地球自轉角速度;碎：為東北天地理坐標系相對于地球系的旋轉角速 度；
[0019] (8)濾波結束后，存儲主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的相對姿態 誤差Φ Μ, <Ky, Φμ，其中Φμ作為方位安裝誤差角估計值；
[0020] (9)通過對比步驟(2)中測得的方位安裝誤差角基準值與步驟(8)中得到的方位安 裝誤差角估計值，實現傳遞對準定量精度評估。
[0021] 所述步驟(7)中的卡爾曼濾波器為非線性濾波器，實現大方位失準角傳遞對準的 精度評估。
[0022]本發明的有益效果在于：
[0023] 該方法獲取對準精度評估的基準在傳遞對準之前，僅需在完成對準后，通過基準 值和估計值的對比即可實現對準精度的定量評估。避免了對準完成后子慣導進行導航解算 和平滑解算，大大降低了計算復雜度和數據存儲需求;可以實現短時間內多次的重復試驗； 高精度激光跟蹤儀能夠精確測定子、主慣導方位安裝誤差角的基準值，精度可達角秒級別， 比子、主慣導系統測姿精度（角分)高一個數量級;將子、主慣導系統近距離共基座安裝，可 有效避免動態撓曲變形對方位精度評估效果的影響;對方位安裝誤差角的評估尤其精確， 適用于大方位失準角條件下的傳遞對準精度評估;該方法實現的是子、主慣導相對安裝誤 差的評估，適用于極區（高維度地區、南極、北極)傳遞對準的精度評估，而不需要將導航坐 標系轉換到極區導航坐標系。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明提出的方法基本流程框圖；
[0025] 圖2為子、主慣導共基座安裝俯視圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
[0027] 本發明公開了一種基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法。通過將傳遞對 準涉及的子、主慣導近距離、共基座安裝于同一鋁板上，構造子、主慣導間的方位安裝誤差 角。然后，利用激光跟蹤儀，測定該方位安裝誤差角，作為傳遞對準的方位安裝誤差角基準 值。子、主慣導進行快速傳遞對準，保存對準結束時刻由卡爾曼濾波器估計得到的子、主慣 導方位安裝誤差角。通過方位安裝誤差角基準值與估計值的對比，實現對子慣導傳遞對準 的精度評估。該方法可以直接、定量地實現對子慣導傳遞對準方位安裝誤差角的精度評估， 且不需要進行對準后的慣導解算，計算量小。
[0028] 實施例一：
[0029] 本發明的實現包括以下步驟：
[0030] (1)將子、主慣導共基座安裝于同一鋁板，構建子、主慣導間方位安裝失準角，使方 位安裝失準角小于等于3度；
[0031] (2)將安裝有子、主慣導的鋁板置于高精度轉臺，利用光學瞄準鏡使主慣導的y軸 向指向正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸指向間的方位安裝誤差角，作為方位安裝 誤差角基準值；
[0032] (3)主慣導開機并完成自對準，進入導航狀態；
[0033] (4)子慣導開機；
[0034] (5)主慣導向子慣導傳遞位置、速度、姿態矩陣；
[0035] (6)子慣導進行導航解算，同步采集子、主慣導的速度、姿態信息；
[0036] (7)利用卡爾曼濾波進行"速度+姿態"匹配快速傳遞對準解算，估計出子慣導系統 誤差狀態；
[0037] 所涉及的子慣導系統誤差狀態向量為：
[0038]
[0039] 式中，φΜ，Φ_，φηζ為主慣導系到計算得到的子慣導坐標系之間的相對姿態誤 差;SV x，SVy為子慣導速度誤差；φΜ，(Ky，(Κζ為主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐 標系的相對姿態誤差;為子慣導三個軸向的加速度計常值零偏;^士士為子慣導 三個軸向的陀螺常值漂移；
[0040] 所涉及的快速傳遞對準系統誤差方程為：
[0041]
[0042] 式中，Φβ=[ <Kx，<Ky，<Kz]T，φ3=[ φ3χ，<Ky，<Kz]T，3V=[5Vx，5Vy] T，es = |>x， 4々]'€"為主慣導坐標系111相對東北天地理坐標系11的旋轉角速度在子慣導坐標系 8下的 投影;Cf為子慣導計算坐標系5轉換至東北天地理坐標系n的轉換矩陣;為主慣導比力在 子慣導系的投影;€為地球自轉角速度為東北天地理坐標系相對于地球系的旋轉角速 度；
[0043] (8)濾波結束后，存儲主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的相對姿態 誤差ΦΜ, <Ky, Φμ，其中Φμ作為方位安裝誤差角估計值；
[0044] (9)通過對比步驟(2)中測得的方位安裝誤差角基準值與步驟(8)中得到的方位安 裝誤差角估計值，實現傳遞對準定量精度評估。
[0045] 實施例二：
[0046] 本發明的實現包括以下步驟：
[0047] (1)將子、主慣導共基座安裝于同一鋁板，構建子、主慣導間方位安裝失準角，使方 位安裝失準角大于3度；
[0048] (2)將安裝有子、主慣導的鋁板置于高精度轉臺，利用光學瞄準鏡使主慣導的y軸 指向正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸指向間的方位安裝誤差角，作為方位安裝誤 差角基準值；
[0049] (3)主慣導開機并完成自對準，進入導航狀態；
[0050] (4)子慣導開機；
[0051] (5)主慣導向子慣導傳遞位置、速度、姿態矩陣；
[0052] (6)子慣導進行導航解算，同步采集子、主慣導的速度、姿態信息；
[0053] (7)利用非線性卡爾曼濾波進行"速度+姿態"匹配快速傳遞對準解算，估計出子慣 導系統誤差狀態；
[0054]所涉及的子慣導系統誤差狀態向量為：
[0055]
[0056] 式中，φΜ，Φ_，φηζ為主慣導系到計算得到的子慣導坐標系之間的相對姿態誤 差;SV x，SVy為子慣導速度誤差；φΜ，(Ky，(Κζ為主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐 標系的相對姿態誤差；為子慣導三個軸向的加速度計常值零偏；ε χ，εγ，εζ為子慣 導三個軸向的陀螺常值漂移；
[0057]所涉及的快速傳遞對準系統誤差方程為：
[0058]
[0059] XV 'i-1 ? Ψ m - ?Φ??χ,Φ??γ,Φιιιζ」，Va - ?_Φ3χ，Φ3γ，Φ8ζ」，〇V - [ 5Vx, 5Vy ] , ε - [εχ， εγ，εζ]τ，<?為主慣導坐標系m相對東北天地理坐標系n的旋轉角速度在子慣導坐標系s下的 投影為子慣導計算坐標系5轉換至東北天地理坐標系η的轉換矩陣;$為主慣導比力在 子慣導系的投影;藏為地球自轉角速度;為東北天地理坐標系相對于地球系的旋轉角速 度；
[0060] (8)濾波結束后，存儲主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的相對姿態 誤差Φ Μ, <Ky, Φμ，其中Φμ作為方位安裝誤差角估計值；
[0061] (9)通過對比步驟(2)中測得的方位安裝誤差角基準值與步驟(8)中得到的方位安 裝誤差角估計值，實現傳遞對準定量精度評估。
[0062] 如附圖1所示，該方法的實施流程如下：
[0063] (1)將子、主慣導共基座安裝于同一鋁板，構建子、主慣導間方位安裝失準角。對鋁 板、子慣導底座和主慣導底座的高精度表面加工，有效保證鋁板作為基準面，進而忽略子、 主慣導的水平安裝誤差角的干擾。
[0064] 子、主慣導間方位安裝誤差角，以子、主慣導殼體的水平y軸指向作為方位指向進 行構造。子、主慣導安裝誤差角俯視圖，如圖2所示。方位安裝誤差角值大小將決定后續進行 的傳遞對準問題是否為大方位失準角，進而決定了傳遞對準的線性及非線性特性。
[0065] 通常當子、主慣導的方位安裝誤差角小于等于3度時，認為系統仍滿足小角度近似 條件，快速傳遞對準系統誤差方程中的反對稱陣為
[0066]
[0067]
[0068] 利用上述模型，進行標準卡爾曼濾波解算。
[0069] 當子、主慣導的方位安裝誤差角大于3度時，小角度近似時誤差較大故不再滿足， 快速傳遞對準系統誤差方程中的反對稱陣為
[0070]
[0071]
[0072] 此時，系統模型表現為非線性特性，數字處理濾波器優選為擴展卡爾曼濾波器、無 極卡爾曼濾波器等非線性卡爾曼濾波器。
[0073] (2)將安裝有子、主慣導的鋁板置于高精度轉臺，利用高精度光學測量設備使主慣 導的y軸指向正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸之間的方位安裝誤差角，作為方位安 裝誤差角基準值。
[0074]現有的光學測量設備具有極高的測角精度，激光經煒儀的測姿精度達到數角分， 激光全站儀的測姿精度達到數角秒，激光跟蹤儀的測姿精度最高達到2角秒。將測量方位安 裝誤差角的光學測量設備優選為激光跟蹤儀，其精度確保方位安裝誤差角測量值作為基準 值的有效性。
[0075] (3)主慣導開機并完成自對準，自對準時長通常持續約1小時，中等精度激光慣導 系統在完成自對準過程后，輸出水平姿態精度優于0.02度，方位姿態優于0.1度。在進入導 航狀態后，輸出主慣導解算得到的速度、姿態、位置信息。
[0076] (4)子慣導信號輸入串口與主慣導信號輸出串口相連，子慣導開機、預熱，；
[0077] (5)傳遞對準開始時刻，主慣導向子慣導一次性傳遞主慣導的位置、速度、姿態矩 陣；
[0078] (6)子慣導利用主慣導傳遞而來的位置、速度、姿態矩陣作為初始值，完成子慣導 導航初始化，子慣導進行導航解算，同步采集子、主慣導的速度、姿態信息；
[0079] (7)利用非線性卡爾曼濾波進行"速度+姿態"匹配快速傳遞對準解算，估計出子慣 導系統誤差狀態；
[0080] 所涉及的子慣導系統誤差狀態向量為：
[0081]
[0082] 式中，φΜ，Φ_，φηζ為主慣導系到計算得到的子慣導坐標系之間的相對姿態誤 差;SVx，SVy為子慣導速度誤差；φΜ，(Ky，(Κ ζ為主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐 標系的相對姿態誤差，為精度評估提供被評估的量；為子慣導三個軸向的加速度 計常值零偏;為子慣導三個軸向的陀螺常值漂移；
[0083]所涉及的快速傳遞對準系統誤差方程為：
[0084]
[0085] 式中，Φβ=[ <Kx，<Ky，<Kz]T，φ3=[ φ3χ，<Ky，<Kz]T，3V=[5Vx，5Vy] T，es = |>x， 4，εζ]τ，<"為主慣導坐標系m相對東北天地理坐標系n的旋轉角速度在子慣導坐標系s下的 投影為子慣導計算坐標系轉換至東北天地理坐標系 n的轉換矩陣;$為主慣導比力在 子慣導系的投影;藏為地球自轉角速度;為東北天地理坐標系相對于地球系的旋轉角速 度；
[0086] 對于初始方位安裝誤差角小于等于3度時，利用標準卡爾曼濾波進行解算；
[0087] 對于初始方位安裝誤差角大于3度時，利用非線性卡爾曼濾波器進行解算。優選為 無跡卡爾曼濾波器。
[0088] (8)濾波結束后，存儲主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的相對姿態 誤差ΦΜ, <Ky, Φμ，其中Φμ作為方位安裝誤差角估計值；
[0089] (9)通過對比步驟(2)中測得的方位安裝誤差角基準值與步驟(8)中得到的方位安 裝誤差角估計值，實現傳遞對準定量精度評估。
[0090] 應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解， 在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些 等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將子、主慣導共基座安裝于同一侶板，構建子、主慣導間方位安裝失準角； (2) 將安裝有子、主慣導的侶板置于高精度轉臺，利用光學瞄準鏡使主慣導的y軸指向 正北，利用激光跟蹤儀測定子、主慣導y軸指向間的方位安裝誤差角，作為方位安裝誤差角 基準值； (3) 主慣導開機并完成自對準，進入導航狀態； (4) 子慣導開機； (5) 主慣導向子慣導傳遞位置、速度、姿態矩陣； (6) 子慣導進行導航解算，同步采集子、主慣導的速度、姿態信息； (7) 利用卡爾曼濾波進行"速度+姿態"匹配快速傳遞對準解算，估計出子慣導系統誤差 狀態； 所設及的子慣導系統誤差狀態向量為：式中，Φ"χ，Φ"γ，Φ"ζ為主慣導系到計算得到的子慣導坐標系之間的相對姿態誤差;SVx, 5Vy為子慣導速度誤差；Φ3Χ，(Ky，Φ3Ζ為主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的 相對姿態誤差；為子慣導立個軸向的加速度計常值零偏;εχ，εy，εz為子慣導ミ個軸 向的巧螺常值漂移； 所設及的快速傳遞對準系統誤差方程為：式中，Φιιι=[ Φ??χ，Φ??γ，Φιιιζ]τ，（Κ=[ Φ3Χ, <Ky, <l)az]T,SV=[SVx,SVy]T,eS=[ex,ey,ez ]τ，瑪。為主慣導坐標系m相對東北天地理坐標系η的旋轉角速度在子慣導坐標系s下的投影； 巧為子慣導計算坐標系直轉換至東北天地理坐標系η的轉換矩陣;忍為主慣導比力在子慣導 系的投影;踩為地球自轉角速度;萌為東北天地理坐標系相對于地球系的旋轉角速度； (8) 濾波結束后，存儲主慣導載體坐標系到實際的子慣導載體坐標系的相對姿態誤差 Φ ax , Φ ay , Φ az ,其中Φ az作為方位女裝差角估計值； (9) 通過對比步驟(2)中測得的方位安裝誤差角基準值與步驟(8)中得到的方位安裝誤 差角估計值，實現傳遞對準定量精度評估。2. 根據權利要求1所述的一種基于共基座安裝的傳遞對準精度定量評估方法，其特征 在于:所述步驟(7)中的卡爾曼濾波器為非線性濾波器，實現大方位失準角傳遞對準的精度 評估。
【文檔編號】G01C25/00GK105973268SQ201610293287
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】程建華, 陳岱岱, 費再慧, 于天琦, 董楠楠, 蔣國桉, 董銘濤
【申請人】哈爾濱工程大學