[发明专利]一种对舰船甲板静态变形角进行测量的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种捷联惯导系统的舰船变形测量方法，特别涉及一种基于光纤陀螺的舰船甲板静态变形测量技术。

(二)背景技术

惯性导航利用惯性元件测量载体的运动线加速度和角速度，以此推算出载体相对于地球的速度和位置，以及载体的姿态等信息。捷联式惯性导航系统省略了精密的稳定平台和控制机构，使系统的设计极大简化，成本大幅度降低，与平台惯导相比具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，便于维护等优点，因此得到越来越广泛的应用，美国军用惯性导航系统在1994年捷联式就占到了90％。

在实际情况中，舰船受使用寿命、波浪冲击、阳光照射、转舵操作、船体载荷等许多因素的影响，都会引起舰船甲板变形，舰船甲板的变形会对舰船上各局部惯导设备的快速初始对准产生不可忽视的影响。甲板变形通常包括动态变形和静态变形。其中舰船的甲板静态角度变形主要受到舰船的使用寿命过长、所载货物、燃料变化和日晒等因素的影响。静态角度并不是始终不变，只是角度变化的周期比较长，在较短的对准时间内认为是不变的，根据相关的舰船在海上的量测报告，以及在不同海情海上试验所测得的实验数据表明，一天之中的变形量可达到1°～1.5°。因此，如何对基于光纤陀螺的舰船甲板静态变形进行测量具有重要意义。

对准过程存在着快速性与准确性之间的矛盾，为了解决对准过程的稳、快、准的协调问题，考虑充分利用舰船主惯导的导航信息与舰载装备的惯性组件的输出信息，进行传递对准，可以大大减少对准时间并获得很好的对准精度，而甲板变形角严重影响快速传递对准的效果。传统的利用光学校准仪器校准变形角的方法需要提供价格昂贵的仪器，同时需要铺设校准用的光路，在大型舰船上不具有实用性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够有效的对于舰船甲板静态变形角进行测量的一种对舰船甲板静态变形角进行测量的方法。

本发明的目的是这样实现的：主要包含以下步骤：

(1)通过机械和光学仪器的安装校准，使当地甲板局部惯导的姿态与中心惯导保持一致，舰船中心捷联惯导系统预热启动并开始初始对准；

(2)舰船中心捷联惯导系统初始对准完毕后进入导航状态，中心惯导系统通过自身的解算，得到解算后的姿态、位置、速度信息；

(3)当地甲板舰载装备的惯导设备预热启动，甲板舰载装备的光纤陀螺和石英加速度计开始采集比力和角速度信息，并将采集到的信息通过电缆传输到自身的导航解算单元，同时通过传输电缆将中心捷联惯导系统解算出的信息传输到当地甲板舰载装备的导航解算单元；

(4)当地甲板舰载装备的导航解算单元接收存储舰船中心捷联惯导系统的导航数据，利用姿态数据信息建立计算舰载装备惯导的载体坐标系和导航坐标系n之间的转换矩阵，即初始捷联矩阵，且以动态变形角为对象；

(5)建立以两套惯导系统失准角误差和当地甲板静态变形角误差为状态变量的卡尔曼滤波状态方程，以两者姿态差为量测量的量测方程，通过卡尔曼滤波估计出甲板静态变形角。

所述卡尔曼滤波状态方程为：

其中：为两套惯导解算的速度差，f为当地甲板局部惯导测得的比力，w_ie为地球运动的角速度，w_en为导航系相对地球系的角速度，φ为与m系间的夹角，ξ为s与m系间的甲板静态变形角，η(t)为动态变形角速度，ω_nm为中心惯导测量的相对导航系的角速度；ε^s为当地甲板局部惯导陀螺漂移测量误差。

所述量测方程为：

z＝Hx+v(t)

其中：量测量z＝[φ_x φ_y φ_y]^T，H为量测矩阵，v为量测噪声阵，φ为与m系间的夹角。

本发明利用舰船主惯导的导航信息与舰载装备的惯性组件输出信息进行匹配滤波，估测出甲板变形角。在快速对准过程中，本发明考虑将甲板变形角作为一个状态变量，对其进行估计得到变形角，以用于变形补偿。本发明的方法具有如下优点：(1)直接利用舰船中心惯导系统和局部惯导系统信息，不需要特殊改变安装结构；(2)可以利用目前研究比较成熟的卡尔曼滤波技术进行滤波估计，采用数字方法，具有很好的可靠性；(3)方法不要求舰船进行匀速直航运动，更具有实用性。

对本发明的有益效果通过如下方针得以验证：

(1)Matlab仿真

在以下的仿真条件下，对该方法进行仿真实验：