一种舰载主/子惯导传递对准过程中的陀螺误差快速估计方法

摘要

一种舰载主/子惯导传递对准过程中的陀螺误差快速估计方法，针对舰船主/子组合中的传递对准，设计了一种适用于系泊/匀速直航条件下的陀螺误差快速估计方法，对子惯导陀螺常值误差进行快速估计，在实时多任务操作系统的支持下，子惯导系统对同一组数据进行循环导航解算与信息融合，充分利用计算机的高速性能，在传递对准过程中，快速完成对陀螺常值误差的估计。本发明不改变导航解算现有算法，不改变传递对准信息融合算法中的滤波器结构与信息匹配方式，充分利用现有导航计算机富余资源，加快传递对准过程中对陀螺误差的估计速度。

主权项

1.一种舰载主/子惯导传递对准过程中的陀螺误差快速估计方法，其特征是在实时多任务操作系统的支持下对陀螺常值误差进行快速估计，主/子惯导传递对准过程中，子惯导进行导航解算，子惯导利用主惯导的导航数据进行信息融合，设t₀为陀螺常值误差估计的起始时刻，亦为初始对准的起始时刻，t₀~t₁为数据采集、数据存储、实时导航解算与信息融合以及姿态矩阵更新时间段，t₁~t₂为基于t₀~t₁间存储信息的循环导航解算与信息融合以及姿态矩阵更新时间段，上述各时间的确定如下：T1）针对具体子惯导系统，在主/子惯导传递对准中，通过子惯导陀螺仪误差收敛曲线确定完成整个对准所需要的时间，再根据子惯导测量与导航解算更新周期Δt，确定完成整个对准所需要的导航解算总更新次数，设定为k_sum；根据主惯导导航信息更新周期ΔT，确定完成整个对准所需要的信息融合次数，ΔT即为信息融合周期；在确定的工作环境下，导航解算与信息融合两者时序关系确定，导航解算次数确定后，信息融合次数即可确定；T2）根据子惯导仪表数据质量，主惯导量测信息质量，设定时刻t₁及时间段t₀~t₁，并根据Δt计算得到该时间段内导航解算更新次数，设定为k_sum1；T3）从整个对准所需要的导航解算总更新次数k_sum中，扣除步骤T2）中t₀~t₁时间段内导航解算更新次数k_sum1，得到完成整个对准还需要完成的导航解算更新次数，设定为k_sum2，k_sum2=k_sum-k_sum1，从而得到t₁~t₂时间段的循环导航解算循环次数，设定为m，m=k_sum2/k_sum1，在m不为整数时，将m值向上圆整，并根据圆整后的m值调整k_sum2；时刻t₂由循环导航解算循环次数m和导航计算机的性能共同确定，在m确定时，导航计算机主频越高，t₂与t₁间差值越小；根据所述确定的时间，在传递对准中完成子惯导陀螺误差估计，包括如下步骤：1）在t₀时刻，利用主惯导的位置、速度与姿态信息对子惯导的相应导航信息进行初始化，得到子惯导的位置、速度与姿态矩阵t为时间变量；瞬时凝固t₀时刻的载体坐标系为b₀，得到I为(3×3)单位矩阵；2）在时间段t₀~t₁内，子惯导按周期Δt进行惯性仪表数据的采集、存储、导航解算，并利用式（6）更新子惯导载体坐标系b相对于b₀系的姿态矩阵$C_{{b,k}_1}^{b_0}=c_{{b,k}_1-1}^{b_0}(I+\mathrm{\Delta t}{\omega }_{{\mathrm{ib},k}_1}^b\times )---\left(6\right)$式中，下标k₁=1~k_sum1表示导航解算更新的次数标号，为子惯导陀螺实时采集的数据，$C_{b,0}^{b_0}=C_b^{b_0}\left(t_0\right)=I;$同时子惯导按照周期ΔT接收来自主惯导的导航信息并存储，所述导航信息包括速度和航向，并记录主惯导导航信息与子惯导仪表数据间的时序关系；通过信息融合进行主、子惯导传递对准；3）在步骤2）结束t₁时刻，得到该时刻的实时载体矩阵瞬时凝固此时刻的载体坐标系为b₁，有4）在时间段t₁~t₂内，子惯导系统进行如下工作：41）对步骤2）中采集的子惯导惯性仪表数据进行m次循环导航解算和信息融合，t₁~t₂内进行m次循环导航解算，各子循环周期为：t₁₀~t₁₁、t₂₀~t₂₁、...、t_j0~t_j1、...t_m0~t_m1，j=1~m表示子循环周期的标号，在各子循环的导航解算与信息融合过程中，所用子惯导仪表数据与主惯导信息分别对应t₀~t₁内子惯导系统采集的仪表数据与主惯导的导航信息，在每一个子循环周期内，导航解算更新次数与信息融合次数与t₀~t₁内的次数分别相等；循环解算过程中，舰船处于系泊或匀速直航状态，各子循环解算开始时刻的速度、位置直接取上一子循环周期结束时刻的速度与位置，但因船舶存在摇摆运动，各子循环解算开始时刻的姿态需要如下处理，在各子循环t_j0~t_j1开始时刻t_j0的初始姿态矩阵：$C_b^n\left(t_{j0}\right)=C_b^n\left(t_{(j-1)1}\right){\left(C_b^{b_0}\left(t_1\right)\right)}^T---\left(7\right)$式中，为在t_(j-1)1时刻计算得到的载体坐标系b相对导航坐标系n的姿态矩阵，即第j-1个子循环解算结束时的姿态矩阵，$C_b^{b_0}\left(t_1\right)=C_{{b,k}_{\mathrm{sum}1}}^{b_0},$$C_b^n\left(t_{10}\right)=C_b^n\left(t_1\right){\left(C_b^{b_0}\left(t_1\right)\right)}^T;$在每一个子循环过程中，按步骤2）中记录的时序关系进行导航解算与信息融合；42）在进行上述循环导航解算与信息融合的同时，子惯导对惯性仪表数据进行实时采集，更新计算当前载体坐标系b系相对于b₁系的姿态矩阵其离散形式为：$C_{{b,k}_2}^{b_1}=C_{{b,k}_2-1}^{b_1}(I+\mathrm{\Delta t}{\omega }_{\mathrm{ib}{k}_2}^b\times )---\left(9\right)$其中$C_{b,0}^{b_1}=C_b^{b_1}\left(t_1\right)=I,$k₂为更新次数，步骤42）最终得到5）在完成m个周期的循环导航解算以及对应的信息融合后，子惯导系统根据t_m1时刻载体坐标系b相对于导航坐标系n的姿态估计矩阵即t₁时刻姿态矩阵的事后估计值，以及t₂时刻载体坐标系b相对于b₁的实时姿态矩阵得到t₂时刻的实时姿态矩阵用于子惯导的导航；同时子惯导得到t_m1时刻的陀螺误差估计值，即t₁时刻陀螺误差的事后估计值，将t_m1时刻的陀螺误差估计值作为最终的陀螺误差估计值；T4）反复进行上述步骤T2）和步骤T3），通过离线仿真的形式，选择不同的时间点t₁，得到不同的循环导航解算循环数m，根据步骤1）－5）对陀螺误差进行快速估计，选择最能接近T1）中估计效果的t₁和m作为最佳时间点t₁和循环导航计算循环数m，正式用于舰载主/子惯导的传递对准，所述估计效果指T1）中子惯导陀螺仪误差收敛曲线的收敛效果；在实际舰载主/子惯导传递对准过程中进行步骤1）－5），实现陀螺误差快速估计。