一种船体侧滑速度误差判定补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性导航领域，尤其涉及一种船体侧滑速度误差判定补偿方法。
【背景技术】
[0002] 对于电磁计程仪辅助的惯性导航系统来说，电磁计程仪的测速误差严重影响惯导 系统性能。由于电磁计程仪的工作原理以及配置方案等原因，导致舰船转弯时电磁计程仪 无法测量出舰船横向上存在的侧滑速度，这部分舰船侧滑速度相当于电磁计程仪的测速误 差，从而会使其辅助的惯性导航系统瞬时误差增大。特别是，当舰船对船上武器系统中的子 惯导进行传递对准时，例如速度加姿态匹配对准，往往需要舰船作一定机动航行，此时舰船 侧滑速度出现频繁，将导致电磁计程仪辅助的主惯导输出瞬时误差变大，从而降低对准精 度。例如资料显示，美国海军的WSN-7A、WSN-7B等惯导系统，为匹配"战斧"巡航导弹的初 始对准，需要对载体的侧滑速度进行补偿，但未阐述补偿机理。国内还未见此方面的报道， 亟需开展船体侧滑速度误差机理以及补偿方法研究。
[0003] 侧滑速度的补偿，根据侧滑速度理论表达式，最终可以归结为侧滑系数的标定本 发明主要给出了侧滑速度补偿判据以及侧滑系数标定方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种方法简单、可靠性高的，船体侧滑速度误差判定补偿方 法。
[0005] -种船体侧滑速度误差判定补偿方法，包括以下步骤，
[0006] 步骤一：将组合导航系统的惯性单元固定安装于待测船上，保证惯性单元安装基 座轴线和船体艏艉向轴线重合；
[0007] 步骤二：使船作S型运动，在转弯过程中保持旋转速率不变，采集组合导航系统数 据，包括东向速度Ve，北向速度Vn，俯仰角Q1，横滚角θ2以及航向角Θ 3;
[0008] 步骤三：将船转弯时记录的船体东向速度Ve和北向速度Vjlj用姿态转换矩阵投影 到载体系b系上，载体系上X轴速度Vx即为船体侧滑速度，载体系上y轴速度V ￥即为船体 艏艉向速度；
[0009] 步骤四：通过对组合导航系统输出的航向角θ3进行差分可以确定其在转弯时的 大小#3即为船体在转弯时的旋转速率r。，进而确定侧滑系数*其中L为船 长；
[0010] 步骤五：待测船做实际航行，实时采集船体在转弯时的旋转速率r、横向加速度F 以及舵角根据三种情况进行侧滑速度V = k · L · r补偿；
[0011] 情况一：根据舵角^判断是否需要引入侧滑速度补偿，当< =δ ^ = const>0时，需补偿侧滑速度；
[0012] 情况二：在船舶回转运动转舵阶段，如果旋转速率r和侧滑加速度ι)满足 f > 0门f > 〇Π ? 条件，则补偿侧滑速度，t。为给定门限时间；
[0013] 情况三：在船舶回转运动过渡阶段，首先确定滑速度范围[-v_，v_]，再确定旋转 速率的边界值[-r_，r_]，当旋转速率在边界外时，需要补偿侧滑速度。
[0014] 本发明一种船体侧滑速度误差判定补偿方法还可以包括：
[0015] 1、根据三种情况进行侧滑速度V = k · L · r补偿中，三种情况的优先级由高到低 依次是情况一，情况二，情况三。
[0016] 2、载体系上X轴速度Vx和载体系上y轴速度V ,为：
[0019] 有益效果：
[0020] 本发明准确的判断出何时需引入侧滑速度补偿，并根据标定出的侧滑系数合理的 引入侧滑速度补偿。减小了由于电磁计程仪的工作原理以及配置方案等原因，导致舰船转 弯时电磁计程仪无法测量出舰船横向上存在的侧滑速度而对惯性导航系统性能的影响。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明侧滑速度误差补偿判据与方法的流程图。
[0022] 图2为本发明船体坐标系示意图。
[0023] 图3为本发明船体受力分析示意图。
[0024] 图4为本发明侧滑判据分析示意图。
[0025] 图5为本发明舰船转弯时的船体侧滑速度和航向角变化（受水流影响较大）示意 图。
[0026] 图6为本发明第一时间段舰船转弯时的船体侧滑速度和航向角示意图。
[0027] 图7为本发明第二时间段舰船转弯时的船体侧滑速度和航向角示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0029] 本发明的目的在于判断出应何时引入侧滑速度补偿，并且给出侧滑系数标定方 法。
[0030] 本发明的目的是这样实现的，如图1所示。
[0031] 步骤一：分析水平定常回转运动模型，根据船体定常回转运动受力平衡方程推导 出侧滑速度表达式。
[0032] 步骤二：根据各水动力参数特性，结合国际拖曳水池会议（ITTC)推荐的船舶水动 力学国际通用无因次化体系，将步骤一得到的侧滑速度表达式中出现的水动力系数进行归 化。
[0033] 步骤三：将根据舵角^判断是否需要引入侧滑速度补偿，当式= OMSi或 =constX)时，需补偿侧滑速度。
[0034] 步骤四：在船舶回转运动转舵阶段，还可以用f > 0门? > 0门r > ie作为判据， 其中#、/由惯导系统输出获得，根据船型不同取不同的t。值。
[0035] 步骤五：在船舶回转运动过渡阶段，首先确定可接受的速度误差范围[-v_，v_]， 再确定航向角速率的边界值[_r_，r_]，当航向角速率在边界外时，需要补偿侧滑速度。
[0036] 步骤六：将组合导航系统的惯性单元固定安装于待测舰船上，保证惯性单元安装 基座轴线和船体艏艉向轴线严格重合。
[0037] 步骤七：采集组合导航系统数据，分别是舰船东向速度Ve，北向速度Vn，以及舰船 的俯仰角S1，横滚角θ2以及航向角Θ 3。
[0038] 步骤八：将为产生足够大的侧滑速度，使舰船作S型运动，注意在转弯过程中保持 旋转速率不变。在此过程中，记录νΕ、νΝ、θρ θ2、θ3输出。
[0039] 步骤九：将舰船转弯时记录的船体东向速度Ve和北向速度Vn利用姿态转换矩阵投 影到载体系b系上，载体系上X轴速度Vx即为船体侧滑速度，载体系上y轴速度V y即为船 体艏艉向速度。
[0040] 步骤十：将船体在转弯时的旋转速率通过对组合导航系统输出的航向角03进 行差分可以确定其在转弯时的大小成（即r)，船体艏艉向速度为Vy (即u)，船体侧滑速度 Vx(即V)，由步骤九获得，将所有值代入公式# = f，即可完成侧滑系数k的标定。
[0041] 本研究通过对船体侧滑速度进行数学建模，研究船体侧滑速度对基于电磁计程仪 辅助的惯性导航系统瞬时误差的影响机理，进而设计合适的船体侧滑速度补偿方案，减小 电磁计程仪测速误差对惯性导航系统的影响，从而减小系统输出最大误差。
[0042] 将舰船转弯时记录的船体东向速度Ve和北向速度V N利用姿态转换矩阵投影到载 体系b系上，即
[0046] 载体系上X轴速度Vx即为船体侧滑速度，载体系上y轴速度V y即为船体艏艉向速 度。
[0047] 研究船体水平面运动时，首先假设固定坐标系原点E和坐标平面E ζ η都在船重 心G所在水平面上。因此，重心G在固定坐标系下的坐标可一般地表示为ru，0)，见 图2。
[0048] 水平面定常回转运动是三自由度运动，其运动方程中有3个独立的状态变量。建 立运动方程所用状态变量有多种组合可供选择。为了得到侧滑速度表达式，在此选择下面 一组状态：u、v、r。
[0049] 船舶所受外力，包括舵力和推进器推力在内，严格地说都是水作用力。一般总是把 推进器推力和力矩与其它水作用力分开来，推进器推力记为χτ，而所有其它水作用力和力 矩都合在一起记为X、Υ、Ν。在给定的水域，在静水条件下，对给定的船舶对象，X、Y、N将只 是状态量和有关控制量的函数，并且是一个确定的函数。因推进器推力不包括在X、Y、N之 内，这里需要考虑的控制量只有舵角对于选择的状态变量，X、Y、N可以表示为
[0050] X = X (u, V, r, δ r) (I)
[0051] Y = Y(u, v, r, δ r) (2)
[0052] N = N (u, ν, r, δ r) (3)
[0053] 图3是船体作定常回转时的受力平衡关系图。其中所使用的坐标系是船体坐标 系，X轴正方向表示船首的方向。U表示切向速度。X，Y, N是船所受的力和力矩。
[0054] 在定常回转时切向速度U不变，故各力在切向的合力为零。各力在圆周径向的合 力应等于向心力因回转角速度保持不变，故总转矩为零。
[0055] 向心力公式的形式为
[0057] 船体坐标系铀向的力平衡关系是
[0058] X+XT+mvr = 0 (5)
[0059] Y-mur = 0 (6)
[0060] N = O (7)
[0061] 恢复水动力的函数形式得到另一形式的水平面定常回转运动一般方程
[0062] X (u, V, r, δ r) +mvr+XT= 0 (8)
[0063] Y (u, v, r, δ r) -mur = 0 (9)
[006