一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測系統及檢測方法

2023-06-02 01:52:41

一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測系統及檢測方法
【專利摘要】本發明提供一種船用慣性導航設備航向精度實時檢測系統及方法。本系統包括：船舶差分全球定位系統單元1、光電經緯儀單元2、姿態信息接口單元3、靶標單元4、數據採集處理單元5等。船舶差分全球定位系統單元1用於保證時間同步，並獲得光電經緯儀單元2和靶標單元4的精確位置信息；光電經緯儀單元2和靶標單元4用於測定船舶舷角；姿態信息接口單元3可獲得船舶姿態航向信息，通過數據採集處理單元5解算得到船用慣導設備航向精度。本發明提供的裝置及方法可以實現航向精度實時測量，減小動態航向精度測量誤差，並且提高光電經緯儀的測量精度。
【專利說明】一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測系統及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及導航儀器性能檢測領域，具體涉及一種船用慣性導航設備的動態航向精度檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002]慣性導航是依據牛頓慣性原理，利用慣性元件(陀螺儀、加速度計)來測量運載體本身的角速度、加速度，經過積分和運算得到姿態(航向角、橫搖角、縱搖角)、速度和位置，從而達到對運載體定姿和導航定位的目的。組成慣性導航系統的設備都安裝在運載體內，工作不依賴外界信息，不向外界輻射能量，不易受到幹擾，是一種自主式導航系統。
[0003]慣性導航設備安裝到載體基座上後，存在安裝誤差角，需要進行安裝誤差校正，因此必須對初始安裝的導航設備進行航向精度檢測。
[0004]對於光纖慣性導航設備的陸上靜態水平、方位的高精度測量比較容易，而對於海上動態條件下的高精度測量則非常困難。現行的系泊航行試驗過程中採取的平臺羅經精度檢測方法，雖然符合國軍標的相關要求以及船舶航行試驗規範要求，但受當時技術保障條件制約，所引用的國軍標測量方法只能保證航向(即艏向)的相對精度，測試過程中完全由人工完成數據採集，效率較低。因此現行的精度檢測方法不能完全滿足作戰武器系統對真艏向的高精度要求。慣性導航設備輸出參數的動態高精度檢測已經成慣性導航設備試驗的瓶頸，成試驗鑑定的關鍵。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種在船舶晃動狀態下，精確測量船舶的航向角，並可以實時輸出船舶的航向角，利用此測量值可以校正船用慣性導航設備航向角輸出值的精度的船用慣性導航設備的動態航向精度檢測系統，本發明的目的還在於提供一種船用慣性導航設備的動態航向精度檢測方法。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
[0007]本發明包括:船舶差分全球定位系統單元1、光電經緯儀單元2、姿態信息接口單元3、靶標單元4和數據採集處理單元5 ;船舶差分全球定位系統單元I用於保證檢測系統所有單元的時間同步，並獲得光電經緯儀單元2和靶標單元4的精確位置信息，傳輸至數據採集處理單元5 ;光電經緯儀單元2和靶標單元4，接收船舶差分全球定位系統單元I提供的時間同步信號，用於測定船舶舷角，並傳輸採集數據至數據採集處理單元5 ;姿態信息接口單元3，接收船舶差分全球定位系統單元I提供的時間同步信號，可獲得船舶姿態航向信息，傳輸至數據採集處理單元5 ;系統通過數據採集處理單元5處理得到船用慣導設備航向精度；
[0008]所涉及的光電經緯儀單元2，包括:陀螺穩定裝置6，可見光成像系統7、圖像跟蹤器8、主控計算機9、機架10、伺服控制系統11和差分全球定位系統接收天線12 ;可見光成像系統7與差分全球定位系統接收天線12安裝於機架10上，機架10安裝於陀螺穩定裝置6上，將光電經緯儀的視軸和艦體的運動相隔離；；可見光成像系統輸出信號至圖像跟蹤器8，再傳輸至主控計算機9 ;主控計算機9發出指令作用於伺服控制系統11，伺服控制系統11輸出控制信號控制陀螺穩定裝置6 ;通過可見光成像系統7和圖像跟蹤器8進行靶標實時跟蹤；
[0009]所涉及的靶標單元4，包括:靶標架臺13、標誌天線14、差分全球定位系統模塊15和無線電傳輸模塊16 ;標誌天線14、差分全球定位系統模塊15安裝於祀標架臺13頂端,無線電傳輸模塊16安裝於靶標架臺13靠近頂端位置。
[0010]一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測方法，包括以下步驟:
[0011]步驟一、利用船舶差分全球定位系統單元I進行各個單元的時間同步，並獲取光電經緯儀單元2位置坐標以及靶標單元4位置坐標，通過大地方位角法可求得兩點間的大地方位角A ；
[0012]所涉及的大地方位角A光電經緯儀單元2位置、靶標單元4位置連線與真北向夾角；
[0013]步驟二、利用光電經緯儀單元2實時跟蹤靶標單元4，得到船舶載體坐標系上的大地方位角A及靶標舷角q，並計算得到觀測航向角H ；
[0014]所涉及的觀測航向角H的表達式:
[0015]H = A-q
[0016]步驟三、根據姿態信息接口單元4同步輸出的慣導設備所測得的航向角Hp，在數據採集處理單元5中進行解算，可得到航向偏差ΛΗ;
[0017]所涉及的航向偏差Λ H的表達式:
[0018]AH = Hp-H
[0019]本發明的有益效果在於，綜合使用了大地測量、光電跟蹤、慣性測量方法，可以在船舶晃動狀態下實時測得航向角偏差，解決了光學測量儀器在船舶處於系泊或者靠岸行駛狀態時測量誤差較大的問題，而且結合慣性導航設備實時輸出航向角偏差，航向角精度試驗提供更可靠的數據支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發明系統總體構成示意圖。
[0021]圖2為光電經緯儀單元構成示意圖。
[0022]圖3為光電經緯儀單元基本結構示意圖。
[0023]圖4為靶標單元基本結構示意圖。
[0024]圖5為大地方位角與航向和舷角的關係。
[0025]圖6為系統安裝位置簡易圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0027]附圖標記:1船舶DGPS單元，2光電經緯儀單元，3姿態信息接口單元，4靶標單元，5數據採集處理單元；6陀螺穩定裝置，7可見光成像系統，8圖像跟蹤器，9主控計算機，10光電經緯儀機架，11伺服控制系統，12船舶DGPS天線；6雙軸陀螺穩定裝置，10光電經緯儀機架，7可見光成像系統，8圖像跟蹤器，9主控計算機，11伺服控制系統，12船舶DGPS天線；13靶標單元架臺，14靶標標誌天線，15無線電傳輸模塊，16DGPS模塊；17表示船舶艏艉線，18表示光電經緯儀單元主體，19電子設備箱(含光電經緯儀單元2的伺服控制系統11電路板和主控計算機9電路板，船舶DGPS單元1，以及數據採集處理單元5)，20船舶導航設備(含姿態信息接口單元3)，4靶標單元，21校正光電經緯儀初始零位的平面反光鏡。
[0028]本發明設計了一種船用動態航向精度實時檢測系統及方法，可以精確測量並實時輸出船舶的航向角，利用此測量值可以校正船用慣性導航設備航向角輸出值。系統整體構成示意圖如圖1所示。
[0029]本系統包括:船舶DGPS單元1、光電經緯儀單元2、靶標單元4、姿態信息接口單元
3、數據採集處理單元5等構成。
[0030]船舶DSPS單元1:本單元是系統測量的時間基準和船位基準。該模塊向光電經緯儀單元、數據採集處理單元、姿態信息接口單元、靶標單元發送IPPS (每秒I個脈衝)脈衝
信號以及包含時間⑴和船舶船位(外4信息的串口報文。
[0031]光電經緯儀單元:本單元通過IPPS信號同步採樣標靶在載體坐標系上的舷角和高度角，通過串行接口發送給數據採樣處理單元，供解算使用。該單元包括:陀螺穩定裝置6，可見光成像系統7、圖像跟蹤器8、主控計算機9、機架10、伺服控制系統11和DGPS天線12等部分組成，其構成示意圖如圖2所示。在圖3中描述了光電經緯儀單元2的基本結構，陀螺穩定裝置6採用兩軸兩自由度的穩定結構，用於消除船體的運動過程中，海浪、風等其他擾動對光電經緯儀造成的影響，將光電經緯儀的視軸和船體的運動相隔離，使光電經緯儀穩定在固定的慣性空間方向。陀螺穩定平臺上搭載光電經緯儀機架10，可見光成像系統7安裝於機架的俯仰軸上，可形成靶標信號圖像。圖像跟蹤器8採用重心跟蹤和相關跟蹤結合的方式進行靶標跟蹤，並將跟蹤信息傳遞給主控計算機9，經過計算將跟蹤所需轉動信息傳遞給伺服控制系統11，調整光電經緯儀機架10，保證光電經緯儀實時跟蹤靶標信號。光電經緯儀通過光學手段，將船艏艉線當做零位參考，通過實時跟蹤靶標信號可實現靶標在載體坐標系上靶標舷角和高度角的實時測量。保證光纖經緯儀輸出的航向角測量值，在最終的數據處理過程中能與慣性導航設備以及DGPS系統的測量值在時間軸上對準，需要安裝在機架俯仰軸上DGPS天線12的IPPS信號在數據中加入絕對時間標籤。
[0032]姿態信息接口單元3:該單元利用IPPS同步信號將載體姿態信息(航向角、橫搖角、縱搖角)同步至數據採集處理單元5，供航向角解算之用。該單元的姿態信息主要來源於船舶的慣性導航設備。
[0033]靶標單元4:具體結構圖如圖4所示，包括靶標架臺13，標誌天線14，DGPS模塊16以及無線電傳輸模塊15。該單元為光電經緯儀單元2提供一個具有精確坐標的瞄準點，並通過該單元中的無線傳輸模塊15將具有時間和位置信息的報文傳輸給數據採樣處理單元
5。該單元的精確時間位置信息可以由靶標單元中安裝的DGPS模塊16測得。該單元需佇立在遠離船舶500m?1500m之間的地方，例如港口岸邊，也可通過在水面固定小型船隻來構建靶標單元4。
[0034]數據採集處理單元5:該單元通過IPPS信號同步採樣姿態信息接口單元數據3、光電經緯儀單元2測得的目標高度角與舷角數據，以及靶標精確坐標點數據，解算出船舶的真航向。
[0035]實施測量具體過程如下:
[0036]1.測量系統設備安裝與連接
[0037]首先需要進行系統設備安裝，系統安裝位置簡易圖如圖6所示，在船舶艏艉線17上安裝光電經緯儀單元18，其中陀螺穩定裝置6，在其上安裝光電經緯儀10，光電經緯儀俯仰機架上安裝船舶DGPS天線12和可見光成像系統7。光電經緯儀的伺服控制系統電路板11和主控計算機電路板9放在位於單獨的電子設備箱19內。DSPS信息發送模塊和數據採集處理單元同樣置於此電子設備箱19內。姿態信息接口與船舶本身的慣性導航設備相連接於20處。靶標單元4安裝在岸邊附近，距離船舶500m?IOOOm之間，並在靶標上布置DGPS天線，連接好無線傳輸模塊，保證其與數據採集處理單元的信息通暢。
[0038]2.光電經緯儀單元2調平與初始零位的確定
[0039]陀螺穩定平臺6開始工作，將光電經緯儀的視軸和船舶的運動相隔離，即保證光電經緯儀的水平放置。同時，沿船舶的船艏艉線方向上安置一反光鏡21，保證反光鏡21法線水平且處於船艏艉線上，調節光電經緯儀，保證反光鏡法線與經緯儀的視向對準，確認位置對準後，即可確認船舶的船艏艉線方向光電經緯儀的零位參考方向。
[0040]3.航向角誤差實時測量
[0041]調整光電經緯儀18方向，讓光電經緯儀機架俯仰軸上的可見光成像系統7瞄準靶標4，形成靶標信號圖像。圖像跟蹤器8採用重心跟蹤和相關跟蹤相結合的方式進行靶標跟蹤，並將跟蹤信息傳遞給主控計算機9，經過計算將跟蹤所需轉動信息傳遞給伺服控制系統11，調整光電經緯儀10，保證光電經緯儀實時跟蹤靶標信號，在光電經緯儀零位參考已建立的基礎上，光電經緯儀可實時測量得到靶標在載體坐標系上的舷角和高度角。
[0042]啟動19中的數據採集處理單元,利用船舶DSPS單元向光電經緯儀單元18、祀標單元4、姿態信息接口單元20、19中的數據採集處理單元發送IPPS (每秒I個脈衝)脈衝信號以及包含時間⑴和船舶船位(緯度，經度)(BI，LI)信息的串口報文，由於船舶DGPS天線安裝於光電經緯儀機架10的俯仰軸上，此處提供的船位信息可看做是光電經緯儀的位置信息。
[0043]光電經緯儀單元18通過IPPS信號同步採樣標靶4在載體坐標系上的舷角q和高度角，通過串行接口發送給19中的數據採樣處理單元5。靶標單元利用IPPS信號將靶標4的位置(B2，L2)和時間(t)信息同步，通過靶標單元自帶無線傳輸模塊15將具有時間(t)和位置(B2，L2)信息的報文傳輸給19中的數據採樣處理單元5。姿態信息接口單元20通過IPPS同步信號，將船舶慣性導航設備測量得到的載體姿態(航向角、橫搖角、縱搖角)信息同步至數據採集處理單元5。19中的數據採集處理單元通過IPPS同步信號，可將採集得到光電經緯儀18位置(BI，LI)信息、靶標4位置(B2，L2)信息、姿態信息接口單元20的載體姿態(航向角H、橫搖角R、縱搖角P)信息以及靶標4在載體坐標系上的舷角q進行時間同步，保證所測數據時間一致性，提高實時測量數據輸出的準確性。
[0044]根據所得到的數據信息，運用數據採集處理單元5進行計算，具體計算規則如下:
[0045]設起點Pl光電經緯儀單元坐標(BI，LI)，終點P2靶標單元坐標(B2，L2)，已知兩位置坐標，通過大地方位角法可求得兩點間的大地方位角A，如圖3所示。大地方位角法屬於大地測量常見方法，此處不予贅述。[0046]具體實施例的系統示意圖如圖5所示,OXY為載體坐標系的水平表示,OY為船舶艏艉線，O點處Pl光電經緯儀機架，N為真北向，P2點為靶標單元^為船艏艉線到靶標單元的舷角，A為由P1、P2點測得的大地方位角，H為系統測量得到的精確航向角；
[0047]經過時間同步得到的同一時刻的大地方位角A和靶標舷角q，根據圖3中所繪製的角度關係圖，可得到航向角:H = A-q ο
[0048]根據姿態信息接口單元輸出的慣導設備所測得航向角Hp，可得到航向偏差角:ΛΗ=Hp-H。
[0049]電子設備箱19中的數據採集處理單元可以經DGPS時間同步後計算得到船舶安裝慣性導航設備的航向偏差值，由於此偏差值可以實時測量、計算得到，因此船舶在晃動或者行進過程中也可以精確測得航向偏差角並進行輸出。
[0050]本系統可以應用於船舶處於系泊、勻速直航等運動狀態時，從檢測系統實時輸出的航向偏差 角的大小可以判斷安裝於船舶上的慣性導航設備的精度。
【權利要求】
1.一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測系統，其特徵在於，包括:船舶差分全球定位系統單元(1)、光電經緯儀單元(2)、姿態信息接口單元(3)、靶標單元(4)和數據採集處理單元(5);船舶差分全球定位系統單元(1)用於保證檢測系統所有單元的時間同步，並獲得光電經緯儀單元(2 )和靶標單元(4 )的精確位置信息，傳輸至數據採集處理單元(5 );光電經緯儀單元(2)和靶標單元(4)，接收船舶差分全球定位系統單元(1)提供的時間同步信號，用於測定船舶舷角，並傳輸採集數據至數據採集處理單元(5 );姿態信息接口單元(3)，接收船舶差分全球定位系統單元(1)提供的時間同步信號，可獲得船舶姿態航向信息，傳輸至數據採集處理單元(5);系統通過數據採集處理單元(5)處理得到船用慣導設備航向精度； 所述的光電經緯儀單元(2)，包括陀螺穩定裝置(6)，可見光成像系統(7)、圖像跟蹤器(8)、主控計算機(9)、機架(10)、伺服控制系統(11)和差分全球定位系統接收天線(12);可見光成像系統(7)與差分全球定位系統接收天線(12)安裝於機架(10)上，機架(10)安裝於陀螺穩定裝置(6)上，將光電經緯儀的視軸和艦體的運動相隔離；可見光成像系統輸出信號至圖像跟蹤器(8)，再傳輸至主控計算機(9);主控計算機(9)發出指令作用於伺服控制系統(11)，伺服控制系統(11)輸出控制信號控制陀螺穩定裝置(6);通過可見光成像系統(7)和圖像跟蹤器(8)進行靶標實時跟蹤； 所述的靶標單元(4)，包括靶標架臺(13)、標誌天線(14)、差分全球定位系統模塊(15)和無線電傳輸模塊(16);標誌天線(14)、差分全球定位系統模塊(15)安裝於靶標架臺(13)頂端，無線電傳輸模塊(16)安裝於靶標架臺(13)靠近頂端位置。
2.一種船用慣性導航系統的航向精度實時檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一、利用船舶差分全球定位系統單元(1)進行各個單元的時間同步，並獲取光電經緯儀單元(2)位置坐標以及靶標單元(4)位置坐標，通過大地方位角法可求得兩點間的大地方位角A ； 所涉及的大地方位角A光電經緯儀單元(2)位置、靶標單元(4)位置連線與真北向夾角； 步驟二、利用光電經緯儀單元(2)實時跟蹤靶標單元(4)，得到船舶載體坐標系上的大地方位角A及靶標舷角q，並計算得到觀測航向角H ； 所涉及的觀測航向角H的表達式為:
H = A-q 步驟三、根據姿態信息接口單元(4)同步輸出的慣導設備所測得的航向角Hp，在數據採集處理單元(5)中進行解算，可得到航向偏差ΛΗ ; 所涉及的航向偏差δη的表達式為:
ΔΗ = Hp-H0
【文檔編號】G01C25/00GK103900609SQ201410114594
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】何昆鵬, 韓繼韜, 陳熙源, 張興智, 李 榮, 梁海波, 張曉宇, 王曉雪, 王晨陽, 於鑫彪 申請人:哈爾濱工程大學