[发明专利]基于惯性测量组件的船体微小形变测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微小角度测量方法，尤其是针对船舶形变量大小的测量，具体是一种基于光纤捷联惯性系统的船体变形测量方法。

背景技术

现代军事装备对舰船以及舰载武器设备的精度要求越来越高。现代舰船等都配备有各种武器装备：舰载飞机、舰载直升机、巡航导弹、火炮等。为保证舰载飞机和导弹武器等设备的正常运行，在舰载飞机起飞和导弹武器等设备发射使用之前，需要向它们提供一定精度的姿态参数以及所在位置的运动参数，这样可以使得它们的导航系统等设备进行精确地初始导航参数的装定并迅速完成初始对准的工作，进而快速进入正常工作状态。一般舰船上都安装有高精度惯导系统作为中心惯导系统，中心惯导系统可以测定并向全船的用户设备提供这些参数。

当舰船是一个绝对的刚体时，各个用户设备部分与中心惯导系统之间都可以建立一个统一而且严格的物理坐标基准。但实际中，舰船并不是一个绝对的刚体，虽然舰船是由刚性强度很大的特殊钢材结构焊接而成，并且在特殊部位进行了加固，但是在舰船自身负载的变化、舰船的壳体在海浪撞击作用以及舰船结构在长期热胀冷缩效应等外部环境和应力的作用下，舰船仍然会产生船体形变。这时，即便舰船在建造或维修时已经将各个用户设备部分与中心惯导系统之间的坐标基准匹配到一定精度，由于船体变形的存在，当用户设备部分再直接使用中心惯导系统提供的导航参数就会带来失调角误差，造成精度上的缺失。

船体形变的测量方法有光学测量法、摄影测量法、惯性测量匹配法；多部位安装航姿系统；惯性测量匹配法；GPS测量法等。针对目前测量船体变形几种可行的方法，光学测量方法、摄影测量法等都由于测量方法、安装条件所限不能广泛用于舰船实际航行状态下的实时测量和补偿；惯性测量匹配法可以进行全天候实时精确的测量，但是基于惯性匹配法的船体形变测量方法中的静态变形角均认为其为常值。本发明针对现阶段存在的问题，提出了一种新的测量方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤捷联惯性系统的船体变形测量方法。该方法建立了“准静态”模型，将静态变形角认为是一个缓慢的变化量，从而把风吹日晒和传播转向等引起的缓慢变化从动态变形角中分离出来，从而提高了动态变形角的估计精度，为舰船上各种设备提供更准确的参数。

本发明的实现步骤如下：

(1)分别在船体首尾各安装一个光纤陀螺作为子惯导系统，分别记为FGU1和FGU2；船舶自身还有一个主惯导系统，记为FGU3。

(2)如果FGU1和FGU2之间没有形变角时，两个坐标系平行；如果有形变角，两个坐标系将不平行，那么光纤陀螺三个轴敏感到的横摇、纵摇和航向角速度也不相等。所以角速度信息是直接反应船体变形角的变量，因此将主、子捷联惯导系统输出的角速度信息差值作为观测量，即迭代法中迭代方程的输入量。

(3)将主惯导系统FGU3对准并处于高精度导航状态，即正常工作。

(4)将惯导系统FGU1和FGU2预热后，分别采集光纤陀螺仪和加速度计的输出数据。

(5)建立以主惯导系统FGU3和子惯导系统FGU1或FGU2的角速率误差关系式：

两套惯导系统(主、子惯导系统)可以测得角速度信息、加速度信息以及姿态信息。主惯导系统的陀螺输出的角速度即为主惯导坐标系相对于惯性空间坐标系的绝对角速度ω_ib为：

ω_ib＝ω_ie+ω_eb (1)

其中，ω_ie为地理坐标系相对于惯性坐标系的牵连角速度，ω_eb为主惯导坐标系相对于地理坐标系的相对角速度。将上式投影到载体坐标系并写成三轴投影的形式可得：

同理可得到子惯导系统的陀螺输出的角速度在载体坐标系上三轴投影的形式

其中μ_θ＝[μ_θx μ_θyμ_θz]^T为由船体变形产生的主惯导系统坐标系相对子惯导系统坐标系的变形角速率。将主惯导系统的陀螺输出的角速度投影到子惯导系统坐标系上可得：

其中转换矩阵为