專利名稱：一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法
技術領域：
本發(fā)明涉及慣性導航系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航利用海上獲得的位置數(shù)據(jù)，進行校準提高精度的技術方法。
背景技術：
船用慣性導航系統(tǒng)在船舶航行過程中，連續(xù)不斷地自主計算并輸出船舶的各種導航參數(shù)，包括船舶的速度、姿態(tài)、航向和所在位置的經(jīng)度、緯度等數(shù)據(jù)。慣性導航系統(tǒng)這種不需要借助電磁波或光波與外部衛(wèi)星或天體聯(lián)系，而獨立實現(xiàn)的導航功能的自主性是它的優(yōu)點，但是慣性導航系統(tǒng)的誤差，特別是它提供的位置經(jīng)度和緯度的誤差，隨船舶航行時間的延長而不斷增長累積。遠洋船舶在海上航行時間很長，船用慣性導航系統(tǒng)需在海上連續(xù)工作數(shù)十天甚至數(shù)月，不斷增長的位置經(jīng)度和緯度誤差就必然會超出允許的范圍。因此船用慣性導航系統(tǒng)工作一段時間后，在有可能獲得外部提供的準確導航數(shù)據(jù)時，為恢復和保證慣性導航系統(tǒng)的導航精度，需借助外部數(shù)據(jù)對慣性導航系統(tǒng)累計的誤差進行校準。通常采用“綜合校準”方法恢復慣性導航系統(tǒng)原有精度，這種“綜合校準”方法相當于在慣性導航系統(tǒng)不斷電情況下，進行一次與碼頭系泊狀態(tài)下初始啟動類似的重新啟動過程?！熬C合校準”需花費與初始啟動時相同的長達5小時的時間，在這段時間內(nèi)需要連續(xù)獲得外部(如衛(wèi)星導航)的信息。此外，這種類似帶電重新啟動的“綜合校準”方法，與在碼頭系泊狀態(tài)啟動的工作機理相同，但是由于海上風浪較大，慣性導航系統(tǒng)的工作條件比碼頭系泊狀態(tài)惡劣，綜合校準后慣性導航系統(tǒng)的工作精度，最好情況下也只是接近碼頭系泊狀態(tài)初始啟動后的精度。由此可見，通常采用的“綜合校準”方法的工作機理，與碼頭系泊狀態(tài)下進行的初始啟動工作機理相類似。海上“綜合校準”后，慣性導航系統(tǒng)精度通常會比碼頭初始啟動后稍差，最好情況下也只能接近原有精度。此外還需要持續(xù)5小時有外部提供導航數(shù)據(jù)，這是 “綜合校準”方法缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決“綜合校準”方法中存在的校準數(shù)據(jù)采集時間長、校準精度不高的問題， 本發(fā)明提出了一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法，船舶在碼頭初始啟動后開始遠航，船舶在海上航行一段時間，慣性導航系統(tǒng)積累一定導航誤差需要校準時，根據(jù)本校準方法只需獲得外部提供的一次單點位置導航數(shù)據(jù)，即可對系統(tǒng)進行校準，該方法不僅能夠縮短校準數(shù)據(jù)采集的時間，而且還能進一步提高慣性導航系統(tǒng)精度。光學(光纖或激光)陀螺捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)為提高系統(tǒng)自主導航精度，多采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術消除兩個水平陀螺對系統(tǒng)位置誤差影響。此時，慣性導航系統(tǒng)導航中誤差源只剩下垂向陀螺漂移，因此單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)導航誤差的消除只需要消除垂向陀螺的漂移即可?；谏鲜霰尘?，本發(fā)明提出了一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法，該方法實現(xiàn)的具體步驟如下步驟一船舶航行一段時間t，記此時刻為校準時刻，根據(jù)此時刻船舶上的慣性導航系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星導航接收機提供的導航數(shù)據(jù)，得到δ λ (t) = λ ‘ (t)-X (t)(1)δ L(t) = L' (t)-L(t)(2)其中，λ (t)表示校準時刻衛(wèi)星導航接收機獲取的單點位置經(jīng)度，λ ‘ (t)表示校準時刻慣性導航系統(tǒng)輸出的位置經(jīng)度，δ λ (t)表示慣性導航系統(tǒng)航行工作時間累積的位置經(jīng)度誤差；L(t)表示校準時刻衛(wèi)星導航接收機獲取的單點位置緯度，L' (t)表示校準時刻慣性導航系統(tǒng)輸出的位置緯度，SL(t)表示慣性導航系統(tǒng)航行工作時間累積的位置緯度
誤差；步驟二 根據(jù)慣性導航系統(tǒng)累計的位置誤差δ λ (t)、5L(t)以及公式(3)，得到
慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移ε ζ的公式
sinZ . _ . r
「￡·ι"、 -sin￡2i-sin Li
oA(t) Q/。、Sz(3) 5L(t) cos Z ^ ^、
L w」— (l-cosQi)
‘— δλ( )Ω. S ^
r ，sinLsinQt-sinLtr Λ Λ
_4]SLm⑷
εζ=-—-
-cosZ(l-cosQi)其中，Ω表示地球自轉(zhuǎn)角速率，L為緯度；步驟三采用公式中其中一個慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移ε ζ，對單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)進行補償，由此實現(xiàn)對單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的一次校準。有益效果①由本發(fā)明提供的公式⑷可見，為計算慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移，只需獲得外部一次單點位置數(shù)據(jù)即可計算得出陀螺漂移，不需要像通常采用的“綜合校準”方法那樣，持續(xù)5小時連續(xù)不斷獲得外部提供導航數(shù)據(jù)，本方法縮短了獲取外部提供導航數(shù)據(jù)時間，易于實施方便實用。②本發(fā)明提供的單點位置數(shù)據(jù)校準方法，揭示了船用慣性導航系統(tǒng)誤差增長機理。根據(jù)外部導航數(shù)據(jù)λ (t)、L(t)和慣性導航系統(tǒng)輸出的含有誤差的導航數(shù)據(jù)λ ‘ (t)、 L' (t)計算得出的慣性導航系統(tǒng)導航數(shù)據(jù)誤差量δ λ (t)、δ L(t)，可計算出使慣性導航系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的誤差源陀螺漂移ε ζ，利用計算得出的陀螺漂移，對慣性導航系統(tǒng)進行修正補償從而可進一步提高慣性導航系統(tǒng)精度。


圖1為單點位置數(shù)據(jù)校準方法實施流程圖；圖2為慣性導航系統(tǒng)與外部導航數(shù)據(jù)關系示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。光學(光纖或激光)陀螺捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)為提高系統(tǒng)自主導航精度，多采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術消除兩個水平陀螺對系統(tǒng)位置誤差影響。此時，慣性導航系統(tǒng)導航中誤差源只剩下垂向陀螺漂移，因此單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)導航誤差的消除只需要消除垂向陀螺的漂移即可。基于上述背景，本發(fā)明提出了一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法，該方法采用的數(shù)據(jù)源于船舶裝備的慣性導航系統(tǒng)與船舶衛(wèi)星導航接收機，而船舶裝備的慣性導航系統(tǒng)與船舶衛(wèi)星導航接收機有信息接口，衛(wèi)星天線獲得的船舶位置經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)可直接進入慣性導航計算機，船舶裝備的慣性導航系統(tǒng)與船舶衛(wèi)星導航接收機的關系示意圖如圖2所示?；谏鲜龌A，本實施例中模擬船舶航行過程中的慣性系統(tǒng)誤差補償。船舶在碼頭系泊狀態(tài)下進行初始啟動，如圖1所示，其中初始啟動時間為t。，為5小時，此時碼頭當?shù)匚恢媒?jīng)度和緯度數(shù)據(jù)已知，速度為零。初始啟動后離開碼頭開始航行，導航計算機開始計算時間t，航行數(shù)小時后慣性導航系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)積累一定誤差，準備校準時，按下導航計算機操控按鍵，導航計算機根據(jù)機器中的算法軟件自動運行校準程序，導航計算機高速運行， 自動校準可在一個采樣步長(0. 1秒)內(nèi)完成。其中，自動校準采用的方法如下慣性導航系統(tǒng)航行工作時間長度t，記此時刻為校準時刻，根據(jù)校準時刻衛(wèi)星導航接收機提供的導航數(shù)據(jù)λ (t)、L(t)以及慣性導航系統(tǒng)輸出的導航數(shù)據(jù)λ ‘ (t)、L' (t)， 利用公式⑴和⑵計算慣性導航系統(tǒng)校準時刻的導航數(shù)據(jù)誤差S λ (t)、SL(t)。根據(jù)慣性導航系統(tǒng)導航系數(shù)據(jù)誤差利用公式(4)計算慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移ε ζ，利用計算得出的其中一個慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移，對慣性導航系統(tǒng)進行修正補償，進一步提高慣性導航系統(tǒng)精度。上述方法適用于船舶未裝載天文導航設備，不能提供外部準確的航向信息的情況。
權利要求
1. 一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法，其特征在于實現(xiàn)的具體步驟如下步驟一船舶航行一段時間t，記此時刻為校準時刻，根據(jù)此時刻船舶上的慣性導航系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星導航接收機提供的導航數(shù)據(jù)，得到其中，λ (t)表示校準時刻衛(wèi)星導航接收機獲取的單點位置經(jīng)度，λ ‘ (t)表示校準時刻慣性導航系統(tǒng)輸出的位置經(jīng)度，δ λ (t)表示慣性導航系統(tǒng)航行工作時間累積的位置經(jīng)度誤差；L(t)表示校準時刻衛(wèi)星導航接收機獲取的單點位置緯度，L' (t)表示校準時刻慣性導航系統(tǒng)輸出的位置緯度，5L(t)表示慣性導航系統(tǒng)航行工作時間累積的位置緯度誤差；步驟二 根據(jù)慣性導航系統(tǒng)累計的位置誤差δ X(t)、δ L(t)以及公式(3)，得到慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移ε ζ的公式-cosZ(l-cosQi)個慣性導航系統(tǒng)誤差源陀螺漂移ε ζ，對單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)其中，Ω表示地球自轉(zhuǎn)角速率，L表示緯度； 步驟三采用公式⑷中其中制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)進行補償，由此實現(xiàn)對單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的準。-次校
全文摘要
本發(fā)明涉及慣性導航系統(tǒng)技術領域，為了解決“綜合校準”方法中存在的校準數(shù)據(jù)采集時間長、校準精度不高的問題，本發(fā)明提出了一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)海上校準方法，船舶在碼頭初始啟動后開始遠航，船舶在海上航行一段時間，慣性導航系統(tǒng)積累一定導航誤差需要校準時，根據(jù)本校準方法只需獲得外部提供的一次單點位置導航數(shù)據(jù)，即可對系統(tǒng)進行校準，該方法不僅能夠縮短校準數(shù)據(jù)采集的時間，而且還能進一步提高慣性導航系統(tǒng)精度。
文檔編號G01C25/00GK102564459SQ20121001469
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權日2012年1月17日
發(fā)明者房建成, 汪湛清, 汪順亭 申請人:北京理工大學