基于惯性测量组件的船体微小形变测量方法与流程

本发明涉及的是一种微小角度测量方法，尤其是针对船舶形变量大小的测量，具体是一种基于光纤捷联惯性系统的船体变形测量方法。

背景技术：

现代军事装备对舰船以及舰载武器设备的精度要求越来越高。现代舰船等都配备有各种武器装备：舰载飞机、舰载直升机、巡航导弹、火炮等。为保证舰载飞机和导弹武器等设备的正常运行，在舰载飞机起飞和导弹武器等设备发射使用之前，需要向它们提供一定精度的姿态参数以及所在位置的运动参数，这样可以使得它们的导航系统等设备进行精确地初始导航参数的装定并迅速完成初始对准的工作，进而快速进入正常工作状态。一般舰船上都安装有高精度惯导系统作为中心惯导系统，中心惯导系统可以测定并向全船的用户设备提供这些参数。

当舰船是一个绝对的刚体时，各个用户设备部分与中心惯导系统之间都可以建立一个统一而且严格的物理坐标基准。但实际中，舰船并不是一个绝对的刚体，虽然舰船是由刚性强度很大的特殊钢材结构焊接而成，并且在特殊部位进行了加固，但是在舰船自身负载的变化、舰船的壳体在海浪撞击作用以及舰船结构在长期热胀冷缩效应等外部环境和应力的作用下，舰船仍然会产生船体形变。这时，即便舰船在建造或维修时已经将各个用户设备部分与中心惯导系统之间的坐标基准匹配到一定精度，由于船体变形的存在，当用户设备部分再直接使用中心惯导系统提供的导航参数就会带来失调角误差，造成精度上的缺失。

船体形变的测量方法有光学测量法、摄影测量法、惯性测量匹配法；多部位安装航姿系统；惯性测量匹配法；gps测量法等。针对目前测量船体变形几种可行的方法，光学测量方法、摄影测量法等都由于测量方法、安装条件所限不能广泛用于舰船实际航行状态下的实时测量和补偿；惯性测量匹配法可以进行全天候实时精确的测量，但是基于惯性匹配法的船体形变测量方法中的静态变形角均认为其为常值。本发明针对现阶段存在的问题，提出了一种新的测量方法。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤捷联惯性系统的船体变形测量方法。该方法建立了“准静态”模型，将静态变形角认为是一个缓慢的变化量，从而把风吹日晒和传播转向等引起的缓慢变化从动态变形角中分离出来，从而提高了动态变形角的估计精度，为舰船上各种设备提供更准确的参数。

本发明的实现步骤如下：

(1)分别在船体首尾各安装一个光纤陀螺作为子惯导系统，分别记为fgu1和fgu2；船舶自身还有一个主惯导系统，记为fgu3。

(2)如果fgu1和fgu2之间没有形变角时，两个坐标系平行；如果有形变角，两个坐标系将不平行，那么光纤陀螺三个轴敏感到的横摇、纵摇和航向角速度也不相等。所以角速度信息是直接反应船体变形角的变量，因此将主、子捷联惯导系统输出的角速度信息差值作为观测量，即迭代法中迭代方程的输入量。

(3)将主惯导系统fgu3对准并处于高精度导航状态，即正常工作。

(4)将惯导系统fgu1和fgu2预热后，分别采集光纤陀螺仪和加速度计的输出数据。

(5)建立以主惯导系统fgu3和子惯导系统fgu1或fgu2的角速率误差关系式：

两套惯导系统(主、子惯导系统)可以测得角速度信息、加速度信息以及姿态信息。主惯导系统的陀螺输出的角速度即为主惯导坐标系相对于惯性空间坐标系的绝对角速度ωib为：

ωib＝ωie+ωeb(1)

其中，ωie为地理坐标系相对于惯性坐标系的牵连角速度，ωeb为主惯导坐标系相对于地理坐标系的相对角速度。将上式投影到载体坐标系并写成三轴投影的形式可得：

同理可得到子惯导系统的陀螺输出的角速度在载体坐标系上三轴投影的形式

其中μθ＝[μθxμθyμθz]^t为由船体变形产生的主惯导系统坐标系相对子惯导系统坐标系的变形角速率。将主惯导系统的陀螺输出的角速度投影到子惯导系统坐标系上可得：

其中转换矩阵为

式(5)中φ＝[φxφyφz]^t为主惯导系统载体坐标系与子惯导系统载体坐标系之间的失准角，它是由静态变形角和挠曲变形角θ组成。由于和的分量都可以由安装在其部位的陀螺直接测定，因此首先取两套惯导系统陀螺输出的差值，由式(3)、(4)可得：

(6)建立以惯导系统fgu1和惯导系统fgu2的角速率误差为输入量的迭代关系式：

由上式(6)可以得到由于舰船形变引起的形变角速度μθ在子惯导坐标系上的投影。由转动的方向余弦矩阵微分方程：

其中，

将式(7)展开写为

由于船体形变产生的角速度μθ在子惯导坐标系上的投影已知，所以我们就可以通过求解上述微分方程组求出方向余弦项cij(其中i,j＝1,2,3)，然后就可以求解变形角φx、φy、φz：

另外根据欧拉角方程也可以求出变形角

对该式求逆可得：

进一步展开：

考虑主子惯导系统载体坐标系之间的失准角一般为小角度，故上式可近似变为：

忽略掉二阶小量，式(14)可写为：

从上边的分析可以得出，根据两套陀螺的输出差值进行积分就可以求得变形角，将求得的变形角代入式(5)中，求出新的转换矩阵进而进行下一步的迭代。

(7)从理论仿真角度出发，利用迭代方程，实时的估计出船体理论上的动态变形角和静态变形角。

2、本发明的优势在于：

(1)由于外界环境复杂多变，一般的船体形变角测量方法很难实现全天候实时的测量，而惯性匹配法则可以克服这项缺陷。

(2)本发明采用角速率匹配法，而角速率为陀螺直接输出的参数，这样就使得这种船体形变角的测量方法简单而易于实现。

(3)本发明不仅从理论上对船体的形变角进行了估计，而且从实际数据上对船体的动态变形角进行了估计，为船体形变角测量方法的工程应用奠定了基础。

(4)本发明提出了一种基于gps秒脉冲技术实现变形测量系统数据同步的方法；该同步方法以gps秒脉冲和晶振为基础，利用gps输出的秒脉冲信号驯服陀螺晶振，抑制一般方法中陀螺晶振的时间漂移，使得两套光纤捷联惯性装置时钟同步，实现变形测量系统中的实时数据同步。

附图说明

图1为本发明中fgu2和fgu3之间的变形角示意图；

图2为基于理论仿真的“准静态”形变角估计值；

具体实施方式

在以下的仿真条件下，对角速率匹配法进行理论上的仿真验证：

(1)假设初始时刻载体的固定安装偏差是已知的，且为0.1°，即初始时刻的“准静态”形变角为0.1°。

(2)由日照不均匀、载荷变化等因素引起的变化过程为一长周期缓变过程，其幅度取为0.2°，周期为3600s。

(3)舰船拐弯时会引起短时大幅角形变，其幅度取为0.2°，周期为200s。

(4)假设fgu2的陀螺漂移为0.005°/h，fgu3陀螺漂移也为0.01°/h。

(5)设初始时刻的姿态为：纵摇角为0°，横摇角为0°，航向角为0°。船舶的行驶速度为10m/s。

(6)由于海浪的作用，假设船舶的摇摆模型如下：

p＝5°sin(2πt/10)

r＝10°sin(2πt/6)

h＝3°sin(2πt/30)+90°

其中：p-纵摇，r-横摇，h-航向。