一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法及系统与流程

本发明属于升沉测量，具体涉及一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法及系统。

背景技术：

1、水面舰船、水下航行器等水中运载体在航行过程中，受到波浪、风力因素的影响，会出现周期性的往复运动，称为升沉运动。惯性导航系统能够测量载体的位移，但由于惯性传感器存在漂移，无法长期给出准确的测量结果。惯性/卫星组合升沉测量方法能够对惯性期间的误差进行估计和修正，提高惯导系统的长期精度，但由于卫星单点定位系统自身高度测量精度不高，仅能达到米级，且水面对电磁波的反射作用，或者桥梁对信号遮挡，卫星信号容易受到干扰而出现短期失效，惯性/卫星组合升沉测量方法的精度不高。

2、考虑到升沉运动属于简谐受迫运动，因此可以通过高通滤波的方式，将升沉运动与惯性漂移误差进行分离，但滤波方法会产生相位差，iir滤波器的非线性相位难以补偿，fir滤波器虽然是线性相位，但符合性能要求的fir滤波器阶数可能达到上千级，对计算力需求较大。后处理方法无相位差，适用于水下建图等测量领域，但对于舰船减摇、舰载机起降等实时性要求较高的领域难以应对。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明设计了一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法及系统，考虑舰船、水下航行器等水中运载体升沉运动特性，利用多级正余弦函数对舰船等周期运动进行拟合，利用最小均方误差算法对误差进行迭代收敛，获取升沉运动主要频率，之后在主要频率附近再次滤波，进一步提高频率拟合准确性。基于频率拟合的升沉测量算法在频率估计准确的情况下不产生相位差，因此能够实现实时零相位高精度深沉测量。

2、本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法，包括如下步骤

4、将惯导系统测量的载体坐标系加速度值进行坐标转换，获得导航坐标系的加速度值；

5、计算惯导系统的实际垂向位移；

6、利用多级正余弦函数对实际垂向位移进行第一次拟合；

7、利用最小均方误差算法对实际垂向位移与第一拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，获得升沉运动拟合中心频率；

8、以拟合中心频率为频率中心，选取通频带，在通频带内利用多级正余弦函数进行第二次拟合；

9、利用最小均方误差算法对第一拟合升沉与第二拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，获得自适应权重系数，输出第二拟合升沉结果。

10、进一步地，还包括实时监测卫星数据有效性，当卫星数据失效时，拟合相关系数采用上一时刻的输出值的步骤。

11、进一步地，载体坐标系到导航坐标系之间的方向余弦阵为

12、

13、其中，为由b系转换到n系的方向余弦阵，k表示当前时刻，i系为惯性坐标系，为k-1到k时刻导航坐标系变化对应的方向余弦阵，为k-1时刻惯性坐标系到导航坐标系的方向余弦阵，为k-1时刻载体坐标系到惯性坐标系的方向余弦阵，为k-1时刻到k时刻载体坐标系变化对应的方向余弦阵的转置矩阵。

14、进一步地，所述方向余弦阵中，的计算公式为

15、

16、其中，为k时刻惯导系统陀螺测量值，i为单位矩阵；

17、的计算公式为

18、

19、其中，表示k时刻导航坐标系相对于惯性坐标系的角度变化；

20、任意时刻导航坐标系相对于惯性坐标系的角度变化为为地球自传角速率，为载体运动产生的导航坐标系旋转，

21、

22、其中，vn＝[ve vn vu]t表示载体分别沿东、北、天的速度矢量，r、h、分别为地球半径、海拔高度和当前纬度。

23、进一步地，所述实际垂向位移计算方法为

24、计算导航坐标系下加速度为

25、

26、计算速度为

27、vn(k)＝vn(k-1)+δvn(k)

28、计算垂向位移为

29、

30、其中，为惯导系统测量的比力，为地球自传角速率，为载体运动产生的导航坐标系旋转，gn表示当地重力加速度，ts为导航周期。

31、进一步地，所述第一次拟合的拟合升沉表达式为

32、

33、其中，αrk和βrk分别为对应于rω0k谐波分量的正、余弦函数的自适应权重系数，ω0k为中心频率，n为拟合的最高阶数；

34、利用最小均方误差算法进行迭代计算

35、

36、其中，

37、εk为实际垂向位移与第一拟合升沉之间的偏差，μ0和μ1分别为拟合中心频率ω0k和自适应权重系数wk的估计增益系数。

38、进一步地，所述第二次拟合的拟合升沉表达式为

39、

40、其中，ωr表示对通频带进行限制后的各谐波分量，ark、brk分别为对应于ωr谐波分量的正、余弦函数的自适应权重系数，n表示通频带分成的份数；

41、利用最小均方误差算法进行迭代计算

42、

43、其中,η为估计残差，υ称为自适应权重系数的估计增益系数。

44、进一步地，上述实时高精度升沉测量方法适用于水面舰船或水下航行器。本发明还提供了一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量系统，包括

45、坐标转换模块，用于将惯导系统测量的载体坐标系加速度值进行坐标转换，获得导航坐标系的加速度值；

46、位移计算模块，用于计算惯导系统的实际垂向位移；

47、第一拟合模块，用于利用多级正余弦函数对实际垂向位移进行第一次拟合；

48、中心频率模块，用于利用最小均方误差算法对实际垂向位移与第一拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，获得升沉运动拟合中心频率；

49、第二拟合模块，用于以拟合中心频率为频率中心，选取通频带，在通频带内利用多级正余弦函数进行第二次拟合；

50、升沉结果输出模块，用于利用最小均方误差算法对第一拟合升沉与第二拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，获得自适应权重系数，输出第二拟合升沉结果。

51、本发明与现有技术相比的有益效果：

52、本发明设计了一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法，针对舰船、水下航行器等水中运载体升沉运动特性，利用多级正余弦函数对舰船等周期运动进行拟合，利用最小均方误差算法对误差进行迭代收敛，获取升沉运动主要频率，并在主要频率附近再次滤波，进一步提高频率拟合准确性，该基于频率拟合的升沉测量算法在频率估计准确的情况下不产生相位差，因此能够实现实时零相位高精度深沉测量。

53、本发明可用于舰船、水下航行器等水中运载体基于惯性/卫星组合的升沉测量算法，主要用于提高卫星信号存在短期干扰情况下，提高升沉测量精度。

技术特征：

1.一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，包括如下步骤

2.根据权利要求1所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，还包括实时监测卫星数据有效性，当卫星数据失效时，拟合相关系数采用上一时刻的输出值的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，载体坐标系到导航坐标系之间的方向余弦阵为

4.根据权利要求3所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，所述方向余弦阵中，的计算公式为

5.根据权利要求3所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，所述实际垂向位移计算方法为

6.根据权利要求5所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，所述第一次拟合的拟合升沉表达式为

7.根据权利要求6所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，所述第二次拟合的拟合升沉表达式为

8.根据权利要求1～7任一项所述的实时高精度升沉测量方法，其特征在于，用于水面舰船或水下航行器升沉测量。

9.一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量系统，其特征在于，包括

技术总结
本发明提供了一种抗卫星信号干扰的实时高精度升沉测量方法及系统，包括将惯导系统测量的载体坐标系加速度值坐标转换到导航坐标系；计算惯导系统的实际垂向位移；利用多级正余弦函数对实际垂向位移进行第一次拟合；利用最小均方误差算法对实际垂向位移与第一拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，获得升沉运动拟合中心频率；以拟合中心频率为频率中心，选取通频带，在通频带内利用多级正余弦函数进行第二次拟合；利用最小均方误差算法对第一拟合升沉与第二拟合升沉之间的偏差进行迭代收敛，输出第二拟合升沉结果。该方法通过两次拟合提高频率拟合准确性、实时性，能够实现实时零相位高精度深沉测量。

技术研发人员：周祖洋,庄广琛,郭玉胜,宋雅兰,邓继权
受保护的技术使用者：北京自动化控制设备研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15