一种捷联惯导系统航向误差快速修正方法
【专利摘要】本发明提供的是一种利用外部速度信息对系统航向误差进行测量并修正的方法，适用于水下航行的潜器使用。根据外部辅助测量装置(如多普勒计程仪)获取参考外部速度信息，进一步测得t0和t1两个时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差，利用两个时刻速度误差得到捷联惯导系统的航向误差，再将捷联惯导系统的航向进行修正。该方法比较常规方法适合于水下潜器使用，并且修正时间缩短。
【专利说明】
一种捷联惯导系统航向误差快速修正方法 (一)
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种捷联惯导系统的航向误差修正方法，具体涉及一种利用外部 速度信息对系统航向误差进行测量并修正的方法，适用于水下航行的潜器。 (二)
【背景技术】
[0002] 捷联惯导系统采用递推解算方式，根据陀螺、加速度计的输出计算姿态、速度和位 置增量，再结合它们的初值得到它们的递推计算值。根据捷联惯性导航系统误差分析可知： 系统定位误差随时间而增大，所以长航时导航定位的精度会下降。对于水下潜器、尤其是大 型水下潜器而言，其上装配的捷联惯性导航系统需要长时间保精度工作，而其本身误差随 时间会增大，这就需要捷联惯导系统工作一段时间要进行误差修正，以使其误差保持在精 度指标范围内。
[0003] 航向误差修正通常有两种方式，一种是采用连续的外部信息利用最优估计技术 (例如卡尔曼滤波)估测系统的航向误差并修正;第二种是采用离散的外部信息进行解析式 计算，测量得到捷联惯性导航系统的航向误差并修正，本发明属于这种方式。关于第二种方 式，黄德鸣在《惯性导航系统》一书中给出了一种利用三点外部位置信息进行航向修正的方 法，具体设计过程设计通过建立平台漂移角和位置航向误差的关系，推导出平台漂移角和 航向的误差的关系式，借助三次位置信息推导出系统的航向误差并对其进行修正。再者，在 专利申请号为201410143315.1，名称为"一种基于横坐标系的极区航行船舶捷联惯性导航 系统重调方法"的专利文件中，
【申请人】利用外部设备连续三次获得外部位置信息，通过建立 横坐标系下惯性导航系统平台漂移角和航向误差的关系，经过两次位置重调后，在第三次 获得位置误差后可以测量出航向误差。上述航向误差修正方式需要外部位置信息测量航向 误差，外部位置信息一般来自卫星导航系统，卫星导航信号是无法传输到水下的，因此，不 适用于水下潜器。再有，上述方法耗时较长，需要两个位置点之间间隔数小时，因此，不适于 快速航向修正。
[0004] 本发明提出的方法不同于上述已有方法，一是适用于水下潜器(水下潜器一般装 配有电磁计程仪或多普勒计程仪，可提供外部速度信息），二是适用于快速航向修正。 (三)
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种利用外部速度信息进行捷联惯导系统航向误差快速修正的方法。 适用于水下潜器快速航向修正。
[0006] 本发明采用的技术方案包括下列步骤：
[0007] 步骤1、捷联惯导系统在进行预热、初始对准后开始进入导航状态，经过一段时间 后，当捷联惯导系统具备大于或等于3分钟内匀速直航条件时，航向误差修正开始，此时刻 初始时刻记为to。
[0008] 步骤2、根据外部辅助测量装置(如多普勒计程仪)获取参考外部速度信息。在to时 刻获得载体坐标系上的外部速度信息，记为，将其投影到导航解算坐标系下，有：
[0009]
[0010] 其中，上角标b代表载体坐标系;η表示导航解算坐标系，在这里等价为地理坐标 系；为tQ时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息；(g是载体坐标系到 导航解算坐标系的方向余弦矩阵，可由捷联惯导系统给出。
[0011]步骤3、将步骤2得到的多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息与捷联惯导 系统解算出的速度信息做差，可得到t〇时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差：
[0012]
[0013] 其中，<vs(g为to时刻导航解算坐标系下的捷联惯导系统解算出的速度信息，δν η (to)为to时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差，即为初始时刻速度误差。
[0014] 步骤4、载体自to时刻需保持勾速直航大于等于3分钟时间，至t时刻，在t时刻获 得载体坐标系上的外部速度信息VUZ1)和载体坐标系到导航解算坐标系的方向余弦矩阵 CTft)得到
[0015]
[0016] 其中，Kra(Z1)St1时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息。
[0017] 步骤5、由乜时刻捷联惯导系统解算出的速度信息仗)与步骤4得到的 差，得到t时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差δ νη(ω
[0018]
[0019] 步骤6、根据步骤3和步骤5得到的速度误差可计算出t时刻捷联惯导系统的航向 误差δΚ(^、.
[0020]
[0021] 的投影；~:队）、队）、分别为Kri(L)在导航解算坐标系X轴、y轴和ζ轴上的投 影;G为速度误差航向误差关联矩阵。
[0022] 步骤7、利用步骤6得到航向误差δκα〇对捷联惯导系统输出航向KinsU1)进行修 正，
[0023]
[0024]完成本次航向修正过程，得到水下潜器准确的航向1(_(以）。
[0025] 本发明还包括:步骤6中，速度误差航向误差关联矩阵G的定义如下：
[0028]其中，λ是捷联惯导系统在tl时刻解算得到的经度信息，L为捷联惯导系统在t时刻
[0026]
[0027] 解算得到的炜度信息。声=[Μ·?Η 为中间代换矩阵，其中惯性坐标系到导航解算坐标系 的方向余弦矩阵为
[0029；
[0030；
[0031；
[0032；
[0033；
[0034；
[0035；
[0036；
[0037；
[0038；
[0039；
[0040；
[0041；
[0042；
[0043；
[0044]其中，(Z1)分别为V^(T1)在导航解算坐标系X轴、y轴上的投影；ω χ、 ω ω ζ分别为中间代换变量ω在导航解算坐标系三个轴上的投影分量；Ω = 7.2921158 X HT5弧度/秒，R = 6378393米。/?)、彳(0和/;?)为加速度计输出比力矢量在导航解算 坐标系三轴上的投影，可以由捷联惯导系统解算得到。
[0045] 本发明的技术具有以下优点：只需要使用外部速度信息（水下潜器一般装配有电 磁计程仪或多普勒计程仪，可提供外部速度信息），不需要使用外部位置信息（一般来自卫 星导航系统），适用于水下潜器；适用于快速航向修正，全部过程只需要最短3分钟时间完 成。 (四）
【附图说明】
[0046] 图1本发明所述的航向误差修正方法的流程图。
[0047]图2本发明所述的航向误差修正方法的原理图。 (五)
【具体实施方式】
[0048] 一种捷联惯导系统航向误差快速修正方法，其【具体实施方式】如下：
[0049]步骤1、捷联惯导系统在进行预热、初始对准后开始进入导航状态，经过一段时间 后，当捷联惯导系统具备大于或等于3分钟内匀速直航条件时，航向误差修正开始，此时刻 初始时刻记为to;
[0050] 步骤2、根据外部辅助测量装置(如多普勒计程仪)获取参考外部速度信息。在to时 刻获得载体坐标系上的外部速度信息，记为.，将其投影到导航解算坐标系下，有：
[0051] vln(t0)=C：(t0)vhDn(t 0)
[0052] 其中，上角标b代表载体坐标系;η表示导航解算坐标系，在这里等价为地理坐标 系；v；^(u为tQ时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息；是载体坐标系到 导航解算坐标系的方向余弦矩阵，可由捷联惯导系统给出；
[0053] 步骤3、将步骤2得到的多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息与捷联惯导 系统解算出的速度信息做差，可得到to时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差：
[0054] dvD = '(/。）-v;(/0)
[0055] 其中，V;仏)为to时刻导航解算坐标系下的捷联惯导系统解算出的速度信息，δνη (to)为to时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差，即为初始时刻速度误差；
[0056] 步骤4、载体自to时刻需保持匀速直航大于等于3分钟时间，至t时刻，在t时刻获 得载体坐标系上的外部速度信息和载体坐标系到导航解算坐标系的方向余弦矩阵 Gh)得到
[0057] V；r7 (Zl)-C(Z1
[0058] 其中，时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息；
[0059] 步骤5、由^寸刻捷联惯导系统解算出的速度信息V^s(I1)与步骤4得到的丨以)作 差，得到t时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差δ νη(ω
[0060] Sv1Xtl) ^ v'm{tx)-Vnm(Il)
[0061] 步骤6、根据步骤3和步骤5得到的速度误差可计算出时刻捷联惯导系统的航向 误差δΚ(?ι):
[0062]
[0063] 其中，W(G)、叫:⑷、Y(G)分别为v;(〇在导航解算坐标系x轴、y轴和z轴上 的投影；A(K)、&*：(0、Jv：(g分别为VUU在导航解算坐标系 x轴、y轴和z轴上的投 影;G为速度误差航向误差关联矩阵。
[0064] 步骤7、利用步骤6得到航向误差δκα〇对捷联惯导系统输出航向KinsU1)进行修 正，
[0065] Ktrue(ti) =Kins (?ι)-δΚ(?ι)
[0066] 完成本次航向修正过程，得到水下潜器准确的航向1(_(以）。
[0067] 本发明还包括:步骤6中，速度误差航向误差关联矩阵G的定义如下：
[0068]
[0069]
[0070] 其中，λ是捷联惯导系统在tl时刻解算得到的经度信息，L为捷联惯导系统在t时刻 解算得到的炜度信息<=%中间代换矩阵，其中惯性坐标系到导航解算坐标系 的方向余弦矩阵为
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 其中，你)分别为在导航解算坐标系x轴、y轴上的投影；ωχ、 ω ω ζ分别为中间代换变量ω在导航解算坐标系三个轴上的投影分量；Ω = 7.2921158 X HT5弧度/秒，R = 6378393米。//你)和/T(X)为加速度计输出比力矢量在导航解算 坐标系三轴上的投影，可以由捷联惯导系统解算得到。
【主权项】
1. 一种利用外部速度信息对系统航向误差进行测量并修正的方法，其特征是根据外部 辅助测量装置获取参考外部速度信息，进一步测得to和tl两个时刻导航解算坐标系下捷联 惯导系统的速度误差，利用两个时刻速度误差得到捷联惯导系统的航向误差，再将捷联惯 导系统的航向进行修正，从而完成系统快速航向修正。2. 根据权利要求1所述的航向误差快速修正方法，其特征是包括如下具体步骤： 步骤1、捷联惯导系统在进行预热、初始对准后开始进入导航状态，经过一段时间后，当 捷联惯导系统具备大于或等于3分钟内匀速直航条件时，航向误差修正开始，此时刻初始时 刻记为to; 步骤2、根据外部辅助测量装置(如多普勒计程仪)获取参考外部速度信息。在to时刻获 得载体坐标系上的外部速度信息，记为乂α(?。），将其投影到导航解算坐标系下，有：其中，上角标b代表载体坐标系；η表示导航解算坐标系，在运里等价为地理坐标系； 诚W輪)为to时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息；?"化)是to时刻载体坐标 系到导航解算坐标系的方向余弦矩阵，可由捷联惯导系统给出； 步骤3、将步骤2得到的多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息与捷联惯导系统 解算出的速度信息作差，可得到to时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差：其中，vlw战)为to时刻导航解算坐标系下的捷联惯导系统解算出的速度信息，Svn(to)为 to时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差，即为初始时刻速度误差； 步骤4、载体自to时刻需保持匀速直航(时间大于等于3分钟)至tl时刻，在tl时刻获得载 体坐标系上的参考外部速度信息片)和载体坐标系到导航解算坐标系的方向余弦矩阵 G片)得到其中，V苗为tl时刻多普勒计程仪在导航解算坐标系下的速度信息； 步骤5、由tl时刻捷联惯导系统解算出的速度信息咕;如与步骤4得到的喊1(〇作差，得 到tl时刻导航解算坐标系下捷联惯导系统的速度误差Svn(ti)步骤6、根据步骤3和步骤5得到的速度误差可计算出tl时刻捷联惯导系统的航向误差δΚ (tl)：其中，分别为Svn(ti)在导航解算坐标系X轴、y轴和z轴上的投 影；分别为Svn(tQ)在导航解算坐标系X轴、y轴和Z轴上的投影;G 为速度误差航向误差关联矩阵。 步骤7、利用步骤6得到航向误差δΚ(ω对tl时刻捷联惯导系统输出航向KiNS(ti)进行修 正， Ktrue (11) = Kins (tl) -δΚ (11) 完成本次航向修正过程，得到水下潜器tl时刻准确的航向Ktrue(tl)。3.根据权利要求2所述的捷联惯导系统航向误差快速修正方法，其特征是步骤6中，速 度误差航向误差关联矩阵G的定义如下：其中，λ是捷联惯导系统在ti时刻解算得到的经度信息，L为捷联惯导系统在ti时刻解算 得到的缔度信息。F=[M·得了 I为中间代换矩阵，其中惯性坐标系α系巧U导航解算坐标 系的方向余弦矩阵，可表示为运里有，A t = (ti-to) "Μ为另外一个中间代换矩阵，其中，其中，《化無)和铅町相)分别为培巧似在导航解算坐标系X轴、y轴上的投影；ωχ、ωγ、ωζ 和ω abs分别为中间代换变量ω在导航解算坐标系X轴、y轴、ζ轴Ξ个轴上的投影分量和绝对 值；Ω =7.2921158X10-5弧度/秒，R=6378393米。/;'片）、乂"化巧日乂"似为ti时刻加速度计 输出比力矢量在导航解算坐标系X轴、y轴、Z轴Ξ个轴上的投影，可W由捷联惯导系统解算 得到。
【文档编号】G01C25/00GK105841717SQ201610415834
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】李倩, 吴志洁, 高伟, 于飞, 徐定杰, 陈思达, 姜畔, 郝强, 范世伟
【申请人】哈尔滨工业大学