一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法及装置与流程

本发明属于传递对准实际应用领域，具体涉及一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法及装置。

背景技术：

惯性导航技术是20世纪中期发展起来的自主导航技术，对于捷联导航系统来说，惯性导航系统通过惯性测量组件(imu)测量信息进行导航推算前需先确定其初始捷联矩阵。初始矩阵的建立即为捷联导航系统的初始对准。

在舰船或车载平台上通常都会安装一套高精度惯性导航系统作为其主惯导系统(maininertialnavigationsystem，mins)，而车载或舰载平台上搭载的装备也都有自己的导航系统，由于其精度相对于主惯导系统较低，一般将其称为子惯导系统(slaveinertialnavigationsystem，sins)。对于子惯导系统来说，通常其精度不满足独立完成初始对准的要求，且常需要在运动条件下实现对准，则此时通过主惯导系统将导航信息传递给子惯导系统建立其初始捷联矩阵的过程被称为传递对准。

传统传递对准方案或装置一般由一套主惯导系统和一套子惯导系统构成，而且传递对准后捷联矩阵是否正确建立也需要由外部设备或者较长时间运行来判断。而现代船载或车载装备中的通常搭载多个子惯导系统，若对其单独进行一对一传递对准需耗费较长时间。一般按照时间划分，传递对准过程属于对准过程，而后在传统方法对传递对准结果验证的过程属于导航阶段，且传统方法中验证常需要借助外部设备或一段较长导航时间后的结果来判断，这种验证条件往往在实际设备工作中很难提供。

综上所述，现有技术存在传递对准较为繁琐且耗时过长等问题。

技术实现要素：

针对传统传递对准方案和装置的仅能单对单传递对准和传递对准结果验证困难的技术问题，本发明提供了一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法及装置：

一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法，包括以下步骤：

(1)舰载平台或车载平台与传递对准装置进行自检，确定设备功能正常且主惯导系统处于工作状态后，进行下一步；

(2)根据当前经度、纬度和高度信息解算当地地理数据信息；

(3)计算传递对准误差补偿；

(4)将主惯导系统的姿态、速度、位置等信息一次传递给子惯导系统，协助子惯导系统建立初始姿态矩阵；

(5)子惯导系统利用得到的初始姿态和速度信息进行导航解算，载体按照本传递对准机动方案进行机动，数据采集模块则以固定频率将主惯导系统与子惯导系统的数据传输给数据计算模块，在此期间数据计算模块通过这些数据依次计算主惯导系统与子惯导系统、子惯导系统与子惯导系统相互间的失准角；

(6)传递对准机动与传递对准计算结束，数据计算模块开始进行传递对准结果的自校验，验证主惯导系统与子惯导系统、子惯导系统与子惯导系统相互间的失准角是否可以进行闭合验证；

(7)若验证通过，则根据实际需求将传递对准结果直接装订至子惯导系统或输出至导航主控计算机；若验证未通过，则发送警告信号，请求重新进行传递对准。

所述传递对准机动方案包括：

若为陆态平台：机动方式为设置主惯导系统、子惯导系统静止30s后，按照1°/s的速度抬起俯仰角至50°后静止30s，随后反复机动；

若为海态平台：机动方式为让主、子惯导系统随船体作摇摆运动。

所述计算传递对准误差补偿包括：

传递对准误差补偿包括杆臂误差补偿、变形角补偿和时间延迟补偿；

定义关系坐标系为oixiyizi，载体坐标系为obxbybzb，ob是载体的摇摆中心，主惯导的安装位置与ob重合，子管道的加速度计安装在载体坐标系中的固定点p；

显然有：

则杆臂效应误差的方程为：

其中：为载体坐标系原点的位置矢量，为p点相对于惯性坐标系原点的位置矢量，为p点相对于载体坐标系原点的位置矢量；

对于动态变形角λ(t)，其为白噪声激励的二阶马尔科夫过程，另取动态变形角速率为则其运动方程为：

其中，i＝x,y,z，βi＝2.146/τi，wi(t)为具有一定方差的白噪声；

子惯导在t时间获得主惯导在t-δt的速度和姿态信息，时间延迟δt将导致主惯导的速度和姿态信息误差；

则速度误差观测方程为：

则姿态误差观测方程为：

其中是主惯导载体系相对导航系角速度在导航系投影向量的反对称矩阵，δt为，vv和为子惯导系统观测噪声误差。

所述数据计算模块开始进行传递对准结果的自校验，验证主惯导系统与子惯导系统、子惯导系统与子惯导系统相互间的失准角是否可以进行闭合验证，包括：

若给子惯导系统依次编号1，2……n，则传递对准解算结果应满足以下公式才认为验证通过：

将其变化后得：

其中，v为白噪声误差；

根据指标要求设一误差允许门限值如w，若|v|≤w，则认为传递对准结果验证通过，否则认为传递对准失败并将失败信息传递至主控计算机等待下一步命令。

一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准装置，由数据采集和计算模块、串口通信模块和供电模块三部分组成，所有模块集成在一块传递对准导航板上，传递对准导航板上有电源接口和通信接口，电源接口采用3针航空接头，通信接口采用25孔航空接头；数据采集和计算模块为fpga+dsp，fpga采用xilinxspartan-6fpga；串口通信模块主要由多路adm2587e芯片构成。

本发明的有益效果在于：

本发明可以同时支持多套子惯导系统进行传递对准，并且可对子惯导内部进行相互传递对准，最后可将其内部传递对准结果与主惯导对子惯导系统传递对准结果进行闭环验证来检验传递对准结果是否正确，即在对准阶段即可验证并修正传递对准结果。它具有快速、适应性强、高可靠性及高自主性等优点。

附图说明

图1是本发明传递对准算法流程图；

图2是本发明硬件外观图；

图3是本发明硬件内部构造及信息流图；

图4是本发明工作连接示意图；

图5是主、子惯导系统安装位置示意图；

图6是本发明传递对准结果验证流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明专利涉及传递对准实际应用领域，尤其是涉及一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法及装置。

惯性导航技术是20世纪中期发展起来的自主导航技术，对于捷联导航系统来说，惯性导航系统通过惯性测量组件(imu)测量信息进行导航推算前需先确定其初始捷联矩阵。初始矩阵的建立即为捷联导航系统的初始对准。

在舰船或车载平台上通常都会安装一套高精度惯性导航系统作为其主惯导系统(maininertialnavigationsystem，mins)，而车载或舰载平台上搭载的装备也都有自己的导航系统，由于其精度相对于主惯导系统较低，一般将其称为子惯导系统(slaveinertialnavigationsystem，sins)。对于子惯导系统来说，通常其精度不满足独立完成初始对准的要求，且常需要在运动条件下实现对准，则此时通过主惯导系统将导航信息传递给子惯导系统建立其初始捷联矩阵的过程被称为传递对准。

传统传递对准方案或装置一般由一套主惯导系统和一套子惯导系统构成，而且传递对准后捷联矩阵是否正确建立也需要由外部设备或者较长时间运行来判断。而现代船载或车载装备中的通常搭载多个子惯导系统，若对其单独进行一对一传递对准需耗费较长时间。一般按照时间划分，传递对准过程属于对准过程，而后在传统方法对传递对准结果验证的过程属于导航阶段，且传统方法中验证常需要借助外部设备或一段较长导航时间后的结果来判断，这种验证条件往往在实际设备工作中很难提供。

针对传统传递对准方案和装置的仅能单对单传递对准和传递对准结果验证困难的技术问题，本发明提供了一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法，并为支持本方法提供了相应的传递对准装置方案。它可以同时支持多套子惯导系统进行传递对准，并且可对子惯导内部进行相互传递对准，最后可将其内部传递对准结果与主惯导对子惯导系统传递对准结果进行闭环验证来检验传递对准结果是否正确，即在对准阶段即可验证并修正传递对准结果。它具有快速、适应性强、高可靠性及高自主性等特点。

本发明为实现上述目的，采用了以下技术方案：

本发明完整的技术方案包含一种传递对准算法及其验证方法和该方法配套的硬件方案。

其中硬件技术方案如下：

本传递对准方案所使用装置由数据采集和计算模块、串口通信模块和供电模块三部分组成。所有模块集成在一块传递对准导航板上，并通过预留对外接口来进行与主惯导、子惯导系统的数据传输。其中串口通信模块由422通信芯片adm2587e完成，主要负责外部设备与传递对准导航板通信。数据采集模块由一块xilinxspartan-6fpga芯片负责，其主要任务为将外部设备的数据采集整合后传输给计算模块和将数据计算模块的最终处理结果输出给外部终端或者子惯导系统进行装订。数据计算模块主要由dsp6748芯片构成，其计算功能包含一次装订、传递误差补偿、导航解算，传递对准解算，当地地理信息解算、传递对准结果闭环自校验，主要负责完成传递对准过程中的数据计算和最终的传递对准结果验证。电源模块为整块传递对准导航板供电，电源采用车载或舰载常用的24v供电。

本发明算法部分技术方案如下：

一种基于多路子惯导闭环自校验的传递对准方法及装置采用速度+姿态匹配的算法，主要实现由硬件部分数据计算模块完成，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1：舰载平台或车载平台与传递对准装置进行自检，确定设备功能正常且主惯导系统处于工作状态后转入步骤2。

步骤2：根据当前经度、纬度和高度信息计算当地地理数据信息。

步骤3：将主惯导系统的姿态、速度、位置等信息一次传递给子惯导系统，协助子惯导系统建立初始姿态矩阵。

步骤4：子惯导系统用步骤2得到的初始姿态和速度信息进行导航解算。载体按照本传递对准机动方案进行机动，数据采集模块则以固定频率将主惯导系统与子惯导系统的数据传输给数据计算模块，在此期间数据主惯导系统，数据计算模块通过这些数据依次计算主惯导系统与子惯导系统、子惯导系统与子惯导系统相互间的失准角。

步骤5：传递对准机动结束后，传递对准计算结束。则数据计算模块开始完成传递对准结果的自校验，验证主惯导系统与子惯导系统的失准角与子惯导系统相互间的失准角是否可以进行闭合验证。

步骤6：若验证通过，则根据实际需求将传递对准结果直接装订至子惯导系统或输出至导航主控计算机(若存在主控计算机)；若验证未通过，则发送警告信号，请求重新进行传递对准。

公式符号说明如下：ωib载体角速度，杆臂效应引起的加速度，λ(t)动态变形角，τi动态变形相关时间，主惯导姿态信息矩阵，子惯导姿态信息矩阵，主、子惯导系统间的姿态矩阵，子惯导系统内部间的姿态矩阵。

本发明专利适用于传递对准的陆态实验和海态实验，其中陆态实验与海态实验由于所处环境不同，在实际进行中会有适当不同。

1.硬件方案具体说明

本发明硬件外观如图2所示，整体长宽高约为130mm*110mm*70mm，其中对外接口分为电源接口i和通信接口2，分别采用3针航空接头和25孔航空接头。电源接口外部供电为24v，通信接口实际使用24针分为6个rs422通信口。

如图3所示，本发明内部硬件构造由fpga+dsp作为其数据采集和计算模块。fpga采用xilinxspartan-6fpga，兼容性强，接口丰富。dsp是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器，主要应用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。tms320系列ds[芯片的基本机构包括(1)哈佛结构；(2)流水线操作；(3)专用硬件乘法器；(4)特殊的dsp指令；(5)快速地指令周期；本发明采用了tms320c6000系列的c6748芯片，其dspc6748主频456mhz，具有高达3648mips和2746mflops的运算能力，完全能满足方案对计算速度的要求。

串口通信模块负责保证主、子惯导系统与fpga的实时通信，在本发明的设计中采用rs422串口通信协议，保证了数据的长距离稳定传输。串口通信模块主要由analogdevices公司生产的adm2587e芯片构成，此芯片是一种提供15kvesd保护的信号与电源隔离的rs-422数据收发器，它是一种单通道全双工型数据收发芯片，每个芯片每次只传输一路信号，因此本模块采用了多路adm2587e芯片共同工作，保证了主、子惯导数据与数据采集模块的相互独立稳定工作。

由于不同硬件所需要实际供电环境不同，本发明采用了定制的军品级电源模块，其可将24v的车载或舰载电源转为5v和3.3v以满足不同硬件器件的使用需求。

完整传递对准方案硬件连接如图4所示，多路子惯导和主惯导系统同时连接至主控计算机和传递对准装置上，传递对准装置采集和计算来自主、子惯导的数据并解算，然后将传递对准结果发送至主控计算机。

2.传递对准机动方案

机动运动的目的是通过提高卡尔曼滤波的可观测度来缩短滤波时间，通常机动运动方案与所采用的匹配方法和实际条件的限制有关。(1)陆态平台机动方式：考虑到陆上平台的实际条件和方案要求，机动方式定为主、子管道绕x轴做起竖运动至一定角度后静止，根据实际情况可以适当反复此机动以达到最佳效果，本方案建议机动方式为设置主、子惯导系统静止30s后，按照1°/s的速度抬起俯仰角至50°后静止30s，随后反复机动。(2)海态平台的机动方式：在海上对准过程中，船舶会受到海浪的干扰，舰船本身处于一个六个自由度的摇摆运动之间，因此机动方式可以选择直接让主、子惯导系统随船体作摇摆运动。

3.传递对准误差补偿

传递对准误差补偿包括杆臂误差补偿、变形角补偿和时间延迟补偿。

在实际的运用中，认为主、子惯导可能均为安装在载体的摇摆中心，甚至距摇摆中心有较长的距离，因此主、子管道的加速度计敏感的加速度不同，这种由杆臂引起的误差在传递对准中需要实时补偿。

如图5所示，定义关系坐标系为oixiyizi，载体坐标系为obxbybzb，并认为ob是载体的摇摆中心，假设主惯导的安装位置与ob重合，子管道的加速度计安装在载体坐标系中的固定点p。为载体坐标系原点的位置适量，为p点相对于惯性坐标系原点的位置矢量，为p点相对于载体坐标系原点的位置矢量。显然：

则杆臂效应误差的方程为

对于动态变形角λ(t)，假设其为白噪声激励的二阶马尔科夫过程，另取动态变形角速率为则其运动方程为

其中i＝x,y,z，βi＝2.146/τi，wi(t)为具有一定方差的白噪声。

子惯导系统在利用主惯导的信息做传递对准时，存在事件延迟带来的不同步误差。假设子惯导在t时间获得主惯导在t-δt的速度和姿态信息，时间延迟δt将导致主惯导的速度和姿态信息误差。则速度误差观测方程和姿态误差观测方程实际应为：

其中是主惯导载体系相对导航系角速度在导航系投影向量的反对称矩阵。vv和为子惯导系统观测噪声误差。

4.当地地理相关参数解算模块

由于不同位置和环境下的地球相关参数如重力和自转角速度均不相同，因此在传递对准计算中必须根据不同情况调整当地地理相关参数，由于主惯导系统的精度较高敏感性好，因此在传递对准阶段，通常子惯导系统直接采用主惯导解算的当地地理相关参数

5.一次装订模块

在传递对准的最初阶段，由于子惯导系统不具备自对准的条件，需要用外部数据进行装订，因此一次装订模块主要作用为将经过传递对准误差补偿后的主惯导系统的导航参数和当地地理相关参数传递给子惯导系统，则子惯导系统获取相关参数后将其作为初始导航信息开始导航解算。

6.导航解算模块

子惯导系统完成一次装订后进入导航解算，导航解算模块采用传统惯性导航解算方程，所不同的是子惯导解算过程中当地地理相关信息数据由主惯导系统进行解算传递。

7.传递对准解算模块

传递对准解算模块采用速度+姿态匹配的算法，利用主、子惯导系统间的速度和姿态误差来进行滤波估算。在主、子惯导系统间进行传递对准解算匹配时，子惯导系统相互之间也进行传递对准匹配，即子惯导系统1与子惯导系统2之间，子惯导系统2与子惯导系统3之间也按编号顺序进行相互传递对准解算。

8.传递对准结果自校验模块

由于则在有多套子惯导系统时设其中任两套系统代号为i和j，则对于子惯导系统i和子惯导系统j应有即在多套子惯导系统且其之间也进行了传递对准的情况下，主、子惯导系统间的姿态矩阵应满足一个闭环。考虑到计算及器件误差的情况下则对于传递对准解算结果应满足以下公式才可认为此次对准是可接受的：

其中v为白噪声误差，则若给子惯导系统依次编号1，2……n，则对于传递对准结果的验证公式可为：

将其变化后则有

即可根据指标要求设一误差允许门限值如w，若|v|≤w，则认为传递对准结果验证通过，否则认为传递对准失败并将失败信息传递至主控计算机等待下一步命令。如图6所示，在多套子惯导系统同时需要验证时为减少计算量可将其按编号顺序依次前后验证，即子惯导1与子惯导2间相互验证，子惯导2与子惯导3之间相互验证……子惯导n-1与子惯导n间相互验证，则这些验证全部通过后即认为传递对准的结果是可靠的。