Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

CN111307114A - 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法 - Google Patents

基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111307114A
CN111307114A CN201911203231.1A CN201911203231A CN111307114A CN 111307114 A CN111307114 A CN 111307114A CN 201911203231 A CN201911203231 A CN 201911203231A CN 111307114 A CN111307114 A CN 111307114A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carrier
coordinate system
reference unit
attitude measurement
quaternion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911203231.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111307114B (zh
Inventor
奔粤阳
高倩倩
赵玉新
周广涛
李倩
吴磊
王坤
李帅阳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Hatran Navigation Technology Co ltd
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201911203231.1A priority Critical patent/CN111307114B/zh
Publication of CN111307114A publication Critical patent/CN111307114A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111307114B publication Critical patent/CN111307114B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C1/00—Measuring angles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G01C21/203—Specially adapted for sailing ships

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

本发明公开了基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，属于船舶姿态测量技术领域。具体步骤包括：给定初始导航参数，捷联惯导系统初始对准得到初始四元数；系统采样周期设置并实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号；利用陀螺输出信息得到计算四元数，进而得到载体坐标系与地理坐标系的关系矩阵，判断运载体运动状态；然后，利用和载体坐标系与地理坐标系之间的转移矩阵，得到失准角；获得失准角计算值后，对计算四元数进行更新和修正。即使系统有运动加速度时，依然保持失准角的最优计算，保证系统在不同运动状态下均具有较高的姿态测量精度，有效的提高了系统姿态测量精度。

Description

基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法
技术领域
本发明属于船舶姿态测量技术领域，具体涉及基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法。
背景技术
本发明是基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，利用加速度计和陀螺仪输出进行运载体运动状态判断，根据不同的运动状态采用不同的方法计算失准角。然后利用失准角实时修正计算四元数得到准确的水平姿态。在载体处于低机动状态时，加速度计可以准确的测量重力加速度，可以直接利用加速度计和陀螺输出信息计算失准角获得较高的姿态测量精度。当载体存在运动加速度时，加速度计输出包含两部分：重力加速度和载体运动加速度，且不能将两种加速度直接分离开来，导致无法以重力加速度为参考进行姿态解算。即可以认为运动加速度为干扰加速度，使得系统姿态误差增大。因此，有必要对如何有效的避免运动加速度的干扰，使得载体有运动加速度时，依然具有较高的姿态测量精度进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供提高系统姿态测量精度的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，包括以下步骤：
步骤1、给定初始导航参数(t＝0时刻)：运动参考单元初始对准得到初始四元数Q(0)；
步骤2、系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号
Figure BDA0002296381790000011
与fb＝[fx b fy b fz b]T；
姿态解算周期H，姿态解算周期循环标志k＝1,2…，有H＝tk-tk-1。姿态解算周期等于系统采样周期，即H＝h。
步骤3、利用陀螺输出信息得到计算四元数
Figure BDA0002296381790000012
进而得到载体坐标系b与地理坐标系n的关系矩阵
Figure BDA0002296381790000013
其中
Figure BDA0002296381790000014
步骤4、判断运载体运动状态规则如下：
若
Figure BDA0002296381790000021
且
Figure BDA0002296381790000022
则判断运载体处于低机动状态；
若
Figure BDA0002296381790000023
或
Figure BDA0002296381790000024
则运载体处于高机动状态。
其中运载体合角速度为
Figure BDA0002296381790000025
合加速度为
Figure BDA0002296381790000026
n取
Figure BDA0002296381790000027
步骤5、当运载体处于低机动状态时，利用加速度计输出信息fb(k-1)和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到水平失准角φb(k-1)。
Figure BDA0002296381790000028
其中“×”代表矢量间叉乘运算，C3(k-1)代表
Figure BDA0002296381790000029
的第三行行向量。
步骤6、当运载体处于高机动状态时，设计合理的高通滤波器将载体机动加速度从加速度计输出信息中提取出来，再加以补偿。即：
Figure BDA00022963817900000210
其中高通滤波器H(z)其传递函数为：
Figure BDA00022963817900000211
其中τ为时间常数参数，τ取0.03s。
然后，利用
Figure BDA00022963817900000212
和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到失准角φb(k-1)。
Figure BDA00022963817900000213
步骤7、获得失准角计算值φb(k-1)后，对计算四元数
Figure BDA00022963817900000214
进行更新和修正如下：
Figure BDA00022963817900000215
其中
Figure BDA00022963817900000216
α是误差角修正系数，取α＝0.01；Δθ(k-1)是经过失准角修正后的角增量且有Δθ(k-1)＝|Δθ(k-1)|。
至此就完成了基于运动参考单元的水面舰船水平姿态更新和修正。
本发明的有益效果在于：
本发明综合利用运动参考单元输出的加速度和角速度信息，进行载体运动状态检测，根据检测结果采用不同的失准角计算方法。即使系统有运动加速度时，依然保持失准角的最优计算，保证系统在不同运动状态下均具有较高的姿态测量精度，有效的提高了系统姿态测量精度。
附图说明
图1为本发明用于捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
下面结合附图1举例对本发明做更详细地描述：捷联惯导系统的带杆臂补偿的升沉测量方法，包括如下步骤：
步骤1、给定初始导航参数(t＝0时刻)：运动参考单元初始对准得到初始四元数Q(0)；
步骤2、系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号
Figure BDA0002296381790000031
与fb＝[fx b fy b fz b]T；姿态解算周期H，姿态解算周期循环标志k＝1,2…，有H＝tk-tk-1。姿态解算周期等于系统采样周期，即H＝h。
步骤3、利用陀螺输出信息得到计算四元数
Figure BDA0002296381790000032
进而得到载体坐标系b与地理坐标系n的关系矩阵
Figure BDA0002296381790000033
其中
Figure BDA0002296381790000034
步骤4、判断运载体运动状态规则如下：
若
Figure BDA0002296381790000035
且
Figure BDA0002296381790000036
则判断运载体处于低机动状态；
若
Figure BDA0002296381790000037
或
Figure BDA0002296381790000038
则运载体处于高机动状态。
其中运载体合角速度为
Figure BDA0002296381790000039
合加速度为
Figure BDA00022963817900000310
n取
Figure BDA0002296381790000041
步骤5、当运载体处于低机动状态时，利用加速度计输出信息fb(k-1)和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到水平失准角φb(k-1)。
Figure BDA0002296381790000042
其中“×”代表矢量间叉乘运算，C3(k-1)代表
Figure BDA0002296381790000043
的第三行行向量。
步骤6、当运载体处于高机动状态时，设计合理的高通滤波器将载体机动加速度从加速度计输出信息中提取出来，再加以补偿。即：
Figure BDA0002296381790000044
其中高通滤波器H(z)其传递函数为：
Figure BDA0002296381790000045
其中τ为时间常数参数，τ取0.03s。
然后，利用
Figure BDA0002296381790000046
和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到失准角φb(k-1)。
Figure BDA0002296381790000047
步骤7、获得失准角计算值φb(k-1)后，对计算四元数
Figure BDA0002296381790000048
进行更新和修正如下：
Figure BDA0002296381790000049
其中
Figure BDA00022963817900000410
α是误差角修正系数，取α＝0.01；Δθ(k-1)是经过失准角修正后的角增量且有Δθ(k-1)＝|Δθ(k-1)|。
至此就完成了基于运动参考单元的水面舰船水平姿态更新和修正。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、给定初始导航参数(t＝0时刻)：运动参考单元初始对准得到初始四元数Q(0)；
步骤2、系统设置采样周期h，实时采集三个轴上陀螺和加速度计的输出信号
Figure FDA0002296381780000011
与fb＝[fx b fy b fz b]T，姿态解算周期H，姿态解算周期循环标志k＝1,2…，有H＝tk-tk-1；
步骤3、利用陀螺输出信息得到计算四元数
Figure FDA0002296381780000012
进而得到载体坐标系b与地理坐标系n的关系矩阵
Figure FDA0002296381780000013
步骤4、判断运载体运动状态规则如下：
若
Figure FDA0002296381780000014
且
Figure FDA0002296381780000015
则判断运载体处于低机动状态；
若
Figure FDA0002296381780000016
或
Figure FDA0002296381780000017
则运载体处于高机动状态；
步骤5、当运载体处于低机动状态时，利用加速度计输出信息fb(k-1)和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到水平失准角φb(k-1)；
步骤6、当运载体处于高机动状态时，设计合理的高通滤波器将载体机动加速度从加速度计输出信息中提取出来，再加以补偿，即
Figure FDA0002296381780000018
然后，利用
Figure FDA0002296381780000019
和载体坐标系b与地理坐标系n之间的转移矩阵，得到失准角φb(k-1)；
步骤7、获得失准角计算值φb(k-1)后，对计算四元数
Figure FDA00022963817800000110
进行更新和修正如下：
Figure FDA00022963817800000111
2.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤2中姿态解算周期等于系统采样周期，即H＝h。
3.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤3所述的四元数
Figure FDA00022963817800000112
具体为：
Figure FDA00022963817800000113
4.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤4中运载体合角速度为
Figure FDA00022963817800000114
合加速度为
Figure FDA00022963817800000115
n取
Figure FDA0002296381780000021
5.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤5所述的水平失准角φb(k-1)具体为：
Figure FDA0002296381780000022
其中“×”代表矢量间叉乘运算，C3(k-1)代表
Figure FDA0002296381780000023
的第三行行向量。
6.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤6中高通滤波器H(z)其传递函数为：
Figure FDA0002296381780000024
其中τ为时间常数参数，τ取0.03s；
失准角φb(k-1)具体为：
Figure FDA0002296381780000025
7.根据权利要求1所述的基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法，其特征在于，步骤7中
α是误差角修正系数，取α＝0.01；Δθ(k-1)是经过失准角修正后的角增量且有Δθ(k-1)＝|Δθ(k-1)|。
CN201911203231.1A 2019-11-29 2019-11-29 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法 Active CN111307114B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911203231.1A CN111307114B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911203231.1A CN111307114B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111307114A true CN111307114A (zh) 2020-06-19
CN111307114B CN111307114B (zh) 2022-09-27

Family

ID=71155169

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911203231.1A Active CN111307114B (zh) 2019-11-29 2019-11-29 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111307114B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629538A (zh) * 2020-12-11 2021-04-09 哈尔滨工程大学 基于融合互补滤波和卡尔曼滤波的舰船水平姿态测量方法
CN114326773A (zh) * 2021-08-16 2022-04-12 普宙科技(深圳)有限公司 一种多旋翼无人飞行器悬停控制方法及系统
CN115855038A (zh) * 2022-11-22 2023-03-28 哈尔滨工程大学 一种短时高精度姿态保持方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103017787A (zh) * 2012-07-03 2013-04-03 哈尔滨工程大学 适用于摇摆晃动基座的初始对准方法
CN106123921A (zh) * 2016-07-10 2016-11-16 北京工业大学 动态干扰条件下捷联惯导系统的纬度未知自对准方法
CN107830872A (zh) * 2017-10-26 2018-03-23 哈尔滨工程大学 一种舰船捷联惯性导航系统自适应初始对准方法
CN108871323A (zh) * 2018-04-25 2018-11-23 珠海全志科技股份有限公司 一种低成本惯性传感器在机动环境下的高精度导航方法
CN110398257A (zh) * 2019-07-17 2019-11-01 哈尔滨工程大学 Gps辅助的sins系统快速动基座初始对准方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103017787A (zh) * 2012-07-03 2013-04-03 哈尔滨工程大学 适用于摇摆晃动基座的初始对准方法
CN106123921A (zh) * 2016-07-10 2016-11-16 北京工业大学 动态干扰条件下捷联惯导系统的纬度未知自对准方法
CN107830872A (zh) * 2017-10-26 2018-03-23 哈尔滨工程大学 一种舰船捷联惯性导航系统自适应初始对准方法
CN108871323A (zh) * 2018-04-25 2018-11-23 珠海全志科技股份有限公司 一种低成本惯性传感器在机动环境下的高精度导航方法
CN110398257A (zh) * 2019-07-17 2019-11-01 哈尔滨工程大学 Gps辅助的sins系统快速动基座初始对准方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
X. T. WU,ET AL.: "Attitude error compensation technology for inertial platform of airborne gravimeter based on RTS smoothing algorithm", 《IEEE:2017 24TH SAINT PETERSBURG INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTEGRATED NAVIGATION SYSTEMS (ICINS)》 *
丁旭阳: "基于捷联惯导系统的大飞艇姿态解算算法研究与实现", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑》 *
孙枫等: "基于重力信息的惯性系粗对准精度分析", 《仪器仪表学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629538A (zh) * 2020-12-11 2021-04-09 哈尔滨工程大学 基于融合互补滤波和卡尔曼滤波的舰船水平姿态测量方法
CN112629538B (zh) * 2020-12-11 2023-02-14 哈尔滨工程大学 基于融合互补滤波和卡尔曼滤波的舰船水平姿态测量方法
CN114326773A (zh) * 2021-08-16 2022-04-12 普宙科技(深圳)有限公司 一种多旋翼无人飞行器悬停控制方法及系统
CN114326773B (zh) * 2021-08-16 2024-05-03 普宙科技有限公司 一种多旋翼无人飞行器悬停控制方法及系统
CN115855038A (zh) * 2022-11-22 2023-03-28 哈尔滨工程大学 一种短时高精度姿态保持方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111307114B (zh) 2022-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110031882B (zh) 一种基于sins/dvl组合导航系统的外量测信息补偿方法
KR102017404B1 (ko) 9축 mems 센서에 기반하여 농기계의 전-자세 각도를 갱신하는 방법
CN105203129B (zh) 一种惯导装置初始对准方法
CN107588769B (zh) 一种车载捷联惯导、里程计及高程计组合导航方法
JP5419665B2 (ja) 位置標定装置、位置標定方法、位置標定プログラム、速度ベクトル算出装置、速度ベクトル算出方法および速度ベクトル算出プログラム
CN107063246A (zh) 一种视觉导航/惯性导航的松散组合导航方法
CN109916395B (zh) 一种姿态自主冗余组合导航算法
CN112629538A (zh) 基于融合互补滤波和卡尔曼滤波的舰船水平姿态测量方法
CN110887481B (zh) 基于mems惯性传感器的载体动态姿态估计方法
CN109870173A (zh) 一种基于校验点的海底管道惯性导航系统的轨迹修正方法
CN110954102B (zh) 用于机器人定位的磁力计辅助惯性导航系统及方法
CN107806874B (zh) 一种视觉辅助的捷联惯导极区初始对准方法
CN109612460B (zh) 一种基于静止修正的垂线偏差测量方法
CN111307114B (zh) 基于运动参考单元的水面舰船水平姿态测量方法
CN104880189B (zh) 一种动中通天线低成本跟踪抗干扰方法
CN109596144B (zh) Gnss位置辅助sins行进间初始对准方法
CN112432642B (zh) 一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统
CN105910606A (zh) 一种基于角速度差值的方向修正方法
CN112504275B (zh) 一种基于级联卡尔曼滤波算法的水面舰船水平姿态测量方法
KR102360465B1 (ko) 항법용 관성센서 캘리브레이션 방법
CN110715659A (zh) 零速检测方法、行人惯性导航方法、装置及存储介质
CN106403952A (zh) 一种动中通低成本组合姿态测量方法
JP2012193965A (ja) 位置標定装置、位置標定装置の位置標定方法および位置標定プログラム
CN108592943B (zh) 一种基于opreq方法的惯性系粗对准计算方法
CN104776847B (zh) 一种适用于水下导航系统单点估计陀螺漂移的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230614

Address after: Room 308, Building 4, No. 180, Software Avenue, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu Province, 210012

Patentee after: Nanjing Inertial System Technology Co.,Ltd.

Address before: 150001 Intellectual Property Office, Harbin Engineering University science and technology office, 145 Nantong Avenue, Nangang District, Harbin, Heilongjiang

Patentee before: HARBIN ENGINEERING University

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230731

Address after: 150000 floor 2, East unit 22, Tianping Road, building 2D, dui'e Park, Yingbin Road concentration area, high tech Industrial Development Zone, Harbin, Heilongjiang Province

Patentee after: HARBIN HATRAN NAVIGATION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: Room 308, Building 4, No. 180, Software Avenue, Yuhuatai District, Nanjing, Jiangsu Province, 210012

Patentee before: Nanjing Inertial System Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right