申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2023-11-10

公开（公告）日：2024-03-15

公开（公告）号：CN117705096A

主分类号：G01C21/16

分类号：G01C21/16;G01C21/20

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.02#实质审查的生效;2024.03.15#公开

摘要：本发明属于惯性导航技术领域，公开了一种长航时跨极区阻尼切换方法，适用于舰船跨极区航行导航。本发明立足于现代控制，建立了惯性导航系统误差方程，通过系统极点配置实现系统阻尼以抑制纯惯性系统的振荡误差，利用卡尔曼最优估计实现阻尼系数的动态变化。同时针对跨极区阻尼切换的超调误差问题，设计了阻尼切换方案使系统参数与阻尼系统同步切换，避免阻尼超调误差。本发明实现了惯性导航过程中的动态阻尼，避免切换时刻传统阻尼技术中定阻尼带来的超调振荡，能够很好的适应系统变化给阻尼系统带来的影响，具有重要的工程意义，适用于舰船长航时跨极区航行导航。

主权项：1.一种长航时跨极区阻尼切换方法，其特征在于，包括以下步骤：1定义横地球坐标系，定义横向极点，定义横向经度和横向纬度，确定横向位置表示方式：所述横地球坐标系e′的原点位于地心，X轴沿着地球自转轴指向北极，Y轴指向本初子午线与赤道的交点，Z轴穿过东经90°子午线与赤道的交点；定义0°,90°E为横向北极点、0°,90°W为横向南极点；定义0°经线和180°经线组成的大椭圆为横向赤道；定义90°E和90°W北半球部分组成的半个大椭圆为0°横经线，且横向本初子午线为地理经度90°E所在的子午圈的北半球部分，横向子午线为过横向极点的平面与地球表面相交的轮廓线；定义地球表面上一点的地理法线与横向赤道面交角为该点的横向纬度；定义该点所在的横向子午面与横向本初子午面的交角为横向经度；根据构建的横经纬网络，将舰船在横地球坐标系中位置表示为Lt，λt，h，其中，Lt表示横纬度，λt表示横经度，h表示高度；2定义横地理坐标系：横地理坐标系t的原点位于载体中心，Y轴沿横向经线的切线指向横向北极点，Z轴垂直于当地水平面指向天向，X轴与Y轴和Z轴构成右手坐标系，且为“横东-横北-天向”定义；3确定坐标系之间的转换关系，步骤如下：根据所述步骤1中横地球坐标系定义，确定地球坐标系e到横地球坐标系e′的方向余弦矩阵为： 确定地球坐标系e到地理坐标系g的方向余弦矩阵为： 其中L表示舰船所处的纬度，λ表示舰船所处的经度；确定横地球坐标系e′到横地理坐标系t的方向余弦矩阵 根据链式法则，确定地理坐标系g到横地理坐标系t的方向余弦矩阵 式中表示为方向余弦矩阵的转置；4利用惯性导航获得载体姿态、速度、位置相关信息，确定横地理坐标系下的姿态更新方程、速度更新方程、位置更新方程，具体步骤如下：4.1确定横地理坐标系下的姿态更新方程： 式中，表示从载体坐标系b到横地理坐标系t的方向余弦矩阵；表示载体坐标系b相对于惯性坐标系i的旋转角速度在载体坐标系b下的投影；表示横地理坐标系t相对于惯性坐标系i的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影；其中：表示地球坐标系e相对于惯性坐标系i的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影，表示横地理坐标系t相对于地球坐标系e的旋转角速度在横地理坐标系t下的投影；4.2确定横地理坐标系下的速度vt的更新方程： 其中，式中，vt表示横地理坐标系t下的载体速度；fb表示载体坐标系b下表示的比力；gt表示横地理坐标系t下表示的重力矢量；表示横地理坐标系t下载体的东向速度；表示横地理坐标系t下载体的北向速度；R为地球半径；ωie表示地球自转角速度的大小；表示从地球坐标系e到横地理坐标系t的方向余弦矩阵；4.3确定横地理坐标系下的位置更新方程： 式中，表示横地理坐标系下载体的天向速度；5确定计算坐标系、平台坐标系与真实导航坐标系之间的转换关系：确定计算坐标系c到平台坐标系p的方向余弦矩阵为： 确定真实导航坐标系tg到平台坐标系p的方向余弦矩阵为： 确定真实导航坐标系tg到计算地理坐标系c的方向余弦矩阵为： 式中I3×3表示3×3的单位矩阵；ψ为漂移误差角，φ为姿态误差角，δθ为位置误差角；确定漂移误差角、姿态误差角、位置误差角之间的关系为：φ＝ψ+δθ6确定计算横地理坐标系下阻尼系统的误差模型：6.1确定计算横地理坐标系下阻尼系统的状态方程： 其中xc'为系统状态向量；F为状态转移矩阵；G为系统噪声分配矩阵；w为系统噪声向量；K为阻尼系数矩阵；u为阻尼系统反馈矩阵；将系统状态向量xc'表示为： 其中，表示三维漂移误差角矢量在计算横地理坐标系c'下的投影，各分量分别为计算横地理坐标系c'下东向、北向、天向的漂移误差角；表示三维速度误差矢量在计算横地理坐标系c'下的投影，各分量分别为计算横地理坐标系c'下东向、北向、天向的速度误差；表示三维位置误差矢量在计算横地理坐标系c'下的投影，各分量分别为计算横地理坐标系c'下东向、北向、天向的位置误差；表示陀螺的零偏矢量，各分量分别为X、Y、Z轴陀螺的零偏；表示加速度计的零偏矢量，各分量分别为X、Y、Z轴加速度计的零偏；δk表示测速仪标度因数误差；δη、δγ表示测速仪的俯仰角安装误差、方位角安装误差；6.2确定计算横地理坐标系下阻尼系统的误差方程：6.2.1确定计算横坐标系下惯性导航系统的姿态、速度和位置误差方程： 式中，表示计算横地理坐标系c'下地球自转角速度，表示计算横地理坐标系c'下计算横地理坐标系c'相对地球坐标系e的角速度，表示从载体坐标系b到计算横地理坐标系c'的方向余弦矩阵，fc'表示计算横地理坐标系c'下表示的比力；式中分别表示载体坐标系b下的陀螺误差和加速度计误差，表示为： 式中，和分别表示陀螺和加速度计的噪声；6.2.2确定陀螺零偏、加速度计零偏、测速仪标度因数误差、测速仪俯仰角安装误差、测速仪方位角安装误差的误差方程： 式中，τε和分别表示陀螺和加速度计的一阶马尔可夫相关时间，wε和分别表示陀螺和加速度计的高斯白噪声；将计算横地理坐标系下阻尼系统表示为： 其中，表示惯性导航系统的速度估计值与测速仪的速度输出值；03×3表示3×3的零矩阵；7确定阻尼系统的阻尼系数矩阵K：步骤6所述阻尼系数矩阵K与卡尔曼最优估计的增益系数一致，即建立卡尔曼最优估计的状态方程和观测方程即获得阻尼系数矩阵K；由于卡尔曼最优估计是依据惯性导航系统不同时刻不同状态的特征进行估计，因此其增益系数为时变的，进而实现系统的变阻尼网络；7.1确定卡尔曼最优估计系统状态方程： 其中系统状态向量xc'、状态转移矩阵F、系统噪声分配矩阵G、系统噪声向量w与步骤6所述相同；7.2确定卡尔曼最优估计系统观测方程： 其中，为测速仪安装误差矩阵；vc'表示计算横地理坐标系c'下的速度矢量；υ为测量噪声向量；H为状态观测矩阵，将其表示为：H＝[-[vc'×]I3×303×303×303×3-vc'H1H2]式中，H1和H2分别为矩阵的第一列和第三列向量；7.3确定阻尼系数矩阵K：根据卡尔曼最优估计方法，其中预测过程为： 更新过程为： 式中，为系统第n-1时刻的误差状态，为系统第n时刻预测的误差状态，为系统第n时刻的误差状态；Fn-1为从n-1时刻至n时刻的状态转移矩阵；为系统第n-1时刻误差状态的协方差矩阵，为系统第n时刻预测的误差状态的协方差矩阵，为系统第n时刻误差状态的协方差矩阵；Qn-1为系统第n-1时刻噪声向量的协方差矩阵；Bn-1为系统第n-1时刻系统噪声分配矩阵；Hn为系统第n时刻系统的观测矩阵；Rn为系统第n时刻测量噪声向量的协方差矩阵；zn为系统第n时刻系统测量误差向量；Kn为系统第n时刻的卡尔曼最优估计增益矩阵，即系统阻尼系数矩阵；I18×18表示18×18的单位矩阵；7.4确定系统误差状态修正方式：卡尔曼最优估计的系统状态向量定义在计算横地理坐标系中，通过对系统状态进行修正使其定义在横地理坐标系t中：φt＝ψc'+δθtδvt＝δvc'-δθt×vc' 式中，φt表示姿态误差角φ在横地理坐标系t中的投影；δvt为速度误差δv在横地理坐标系t中的投影；表示计算横地理坐标系c'到横地理坐标系t的方向余弦矩阵；δθt表示位置误差角δθ在横地理坐标系t中的投影，具体表示为： 式中，分别为δrt的北向分量、东向分量；δrt为位置误差δr在横地理坐标系t中的投影，其中经纬度误差转换为位置误差δrt表示为：δrt＝[R+hδλtcosLtR+hδLtδh]T位置误差δrt转换为经纬度误差表示为： 其中为位置误差δrt的天向分量；8确定跨极区导航阻尼切换方案：8.1进入极区导航坐标系切换至横地理坐标系时，确定阻尼系统姿态、速度的转换关系为： 式中，表示载体坐标系b到地理坐标系g的方向余弦矩阵；vg表示地理坐标系下的载体速度；确定位置的转换关系为： 8.2驶出极区导航坐标系切换至地理坐标系时，确定阻尼系统姿态、速度的转换关系为： 式中，表示横地理坐标系t到地理坐标系g的方向余弦矩阵；确定位置参数的转换关系： 8.3确定卡尔曼最优估计系统误差状态的转换关系，步骤如下：8.3.1确定计算横地理坐标系下漂移误差角ψc'和计算地理坐标系下漂移误差角ψc的转换关系： 式中表示计算地理坐标系c到计算横地理坐标系c'的方向余弦矩阵，具体表示为： 其中为地球坐标系e到计算地理坐标系c的方向余弦矩阵，为横地球坐标系e′到计算横地理坐标系c'的方向余弦矩阵；8.3.2确定计算横地理坐标系下的速度误差δvc'与计算地理坐标系下的速度误差δvc的转换关系： 8.3.3确定计算横地理坐标系下的位置误差δrc'与计算地理坐标系下的位置误差δrc的转换关系： 8.4确定卡尔曼最优估计系统协方差矩阵的转换关系，步骤如下：根据步骤8.3所述，舰船进入极区并切换至横地理坐标系时，将误差状态的转换关系表示为：xc't＝Φxct式中，xc表示计算地理坐标系下的系统误差状态；Φ表示系统误差状态从计算地理坐标系c转换到计算横地理坐标系c'的转换矩阵，具体表达式为： 式中，diag{·}表示块对角矩阵矩阵；当舰船进入极区时并切换至横地理坐标系导航时，计算地理坐标系c下系统误差状态的协方差矩阵Pct与计算横地理坐标系c'下系统误差状态的协方差矩阵Pc't的转换关系表示为： 式中，表示计算横地理坐标系下的误差状态估计值，表示计算地理坐标系下的误差状态估计值；当舰船离开极区并切换至地理坐标系导航时，误差状态和协方差矩阵转换关系表示为：xct＝Φ-1xc't，Pct＝Φ-1Pc'tΦ-T。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国人民解放军国防科技大学 一种长航时跨极区阻尼切换方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD