[发明专利]一种舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法

说明书

本发明公开了一种舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法，通过四元数更新法计算载体系随时间变化的姿态矩阵列写捷联惯导比力方程，两边同时左乘捷联矩阵后，两边再同时求两重积分；根据GPS实时获取的舰船位置信息，计算上式中各参数值；利用捷联惯导系统比力方程和已求得的参数，分别列写两个时间段内的比力方程，根据链式乘法准则，得出和的关系，利用双矢量定姿求出捷联矩阵本发明方法利用二重积分求取各个参数，误差更小，操作更简单、造价成本更低，更具有普适性。

技术领域

本发明涉及一种舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法，特别是一种GPS位置辅助的舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法，属于捷联惯性导航系统初始对准领域

背景技术

捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)以其成本低、体积小、结构简单等特点，已成为当前惯性技术发展的主流。初始对准技术是捷联惯性导航系统开始导航之前的关键技术，对准的精度和时间直接影响捷联惯性导航系统的导航精度及捷联惯性导航系统的启动时间。当前，初始对准过程一般分为两个阶段：粗对准阶段和精对准阶段。粗对准阶段的主要任务是实现粗略的姿态估计，而精对准阶段则是在粗对准结果的基础上进行载体初始姿态的精确估计，精对准的对准精度很大程度上取决于粗对准的结果。因此，如何在保证粗对准的对准速度的情况下，提高粗对准姿态角估计的精度是提高整个捷联惯性导航系统导航精度关键一步。

目前在舰船捷联惯性导航系统工程实践中广泛使用的粗对准方法是解析式粗对准。解析式粗对准主要是根据重力矢量和地球自转角速率这两个矢量，分别在导航系与载体系下的投影关系，以及这两个矢量的交叉乘积项在导航系与载体系下的投影关系，建立三个关系式，可以直接求解出初始姿态矩阵。但是，这个粗对准方法只适用于静基座条件下，且具有一定的失准角误差。然而，舰船捷联惯性导航系统在实际应用过程当中，由于周围环境的影响，是不可能完全满足静基座对准的假设条件。例如，舰船在海风和海浪的作用下，会产生姿态摇摆运动和线运动，这两种运动导致舰船不是处于完全意义下的静基座。因此，研究动基座条件下的舰船捷联惯导系统的粗对准技术，这对提高舰船在恶劣环境下的机动性有着重要意义。

对于动基座条件下的粗对准方法，由于行进间粗对准一般需要考虑速度矢量带来的影响，通常要采用外部信息进行辅助。目前舰船捷联惯导系统进行间粗对准方法通常采用DVL进行辅助。DVL由于工作条件限制、波速不稳定等情况，其提供的速度可能会伴有单个或成片的野值，可能会严重影响对准精度。另外，DVL的成本较高，并不是所有舰船都会配备DVL，靠配备DVL提供外速度辅助的粗对准算法不具有普适性。因此，迫切的需要一种造价相对较低，更具有普适性的舰船捷联惯导系统行进间的粗对准方法。本专利提出一种基于GPS位置辅助的舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法。

在CNKI中关于捷联惯导系统粗对准的相关文献较多，其中典型文献如2005年秦永元在《西北工业大学学报》发表《摇摆基座上基于信息的捷联惯导粗对准研究》论文，该方法能够有效抑制载体晃动对初始对准的影响,适用于舰船在系泊和锚泊的对准需求，但当载体存在线运动情况时，无法消除由于运动产生的加速度和角速度，从而会产生对准误差。2018年哈尔滨工程大学徐博的专利《基于速度信息的摇摆基座粗对准方法》(专利号：ZL201710793329.1)，该方法针对的是在舰船在摇摆基座下的粗对准过程，在舰船航行中存在线运动，因此该方法在舰船航行中误差较大。2013年国防科学技术大学王林发表《水下INS/DVL组合导航与动基快速对准的自适应滤波算法研究》论文，主要研究利用多普勒计程仪提供速度信息，将姿态矩阵分为四个矩阵求解，建立投影到惯性系下的比力方程，然后利用双矢量定姿原理完成行进间的粗对准过程。而该发明主要是利用INS和DVL进行组合，所以和本发明中使用的组合器件不一致。2019年哈尔滨工程大学奔粤阳在《系统工程与电子技术》期刊发表《卫导辅助下的舰船捷联惯导航行间粗对准方法》一文，这里所述方法在利用GPS的位置信息求解参数值时利用的是捷联惯导比力方程求一重积分的情况。

发明内容