一種船用慣性導航系統(tǒng)的航向精度實時檢測系統(tǒng)及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種船用慣性導航設(shè)備航向精度實時檢測系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括：船舶差分全球定位系統(tǒng)單元1、光電經(jīng)緯儀單元2、姿態(tài)信息接口單元3、靶標單元4、數(shù)據(jù)采集處理單元5等。船舶差分全球定位系統(tǒng)單元1用于保證時間同步，并獲得光電經(jīng)緯儀單元2和靶標單元4的精確位置信息；光電經(jīng)緯儀單元2和靶標單元4用于測定船舶舷角；姿態(tài)信息接口單元3可獲得船舶姿態(tài)航向信息，通過數(shù)據(jù)采集處理單元5解算得到船用慣導設(shè)備航向精度。本發(fā)明提供的裝置及方法可以實現(xiàn)航向精度實時測量，減小動態(tài)航向精度測量誤差，并且提高光電經(jīng)緯儀的測量精度。
【專利說明】一種船用慣性導航系統(tǒng)的航向精度實時檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導航儀器性能檢測領(lǐng)域，具體涉及一種船用慣性導航設(shè)備的動態(tài)航向精度檢測系統(tǒng)及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導航是依據(jù)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(jīng)過積分和運算得到姿態(tài)(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(tǒng)的設(shè)備都安裝在運載體內(nèi)，工作不依賴外界信息，不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導航系統(tǒng)。
[0003]慣性導航設(shè)備安裝到載體基座上后，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(shè)備進行航向精度檢測。
[0004]對于光纖慣性導航設(shè)備的陸上靜態(tài)水平、方位的高精度測量比較容易，而對于海上動態(tài)條件下的高精度測量則非常困難?，F(xiàn)行的系泊航行試驗過程中采取的平臺羅經(jīng)精度檢測方法，雖然符合國軍標的相關(guān)要求以及船舶航行試驗規(guī)范要求，但受當時技術(shù)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(shù)據(jù)采集，效率較低。因此現(xiàn)行的精度檢測方法不能完全滿足作戰(zhàn)武器系統(tǒng)對真艏向的高精度要求。慣性導航設(shè)備輸出參數(shù)的動態(tài)高精度檢測已經(jīng)成慣性導航設(shè)備試驗的瓶頸，成試驗鑒定的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種在船舶晃動狀態(tài)下，精確測量船舶的航向角，并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(shè)備航向角輸出值的精度的船用慣性導航設(shè)備的動態(tài)航向精度檢測系統(tǒng)，本發(fā)明的目的還在于提供一種船用慣性導航設(shè)備的動態(tài)航向精度檢測方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明包括:船舶差分全球定位系統(tǒng)單元1、光電經(jīng)緯儀單元2、姿態(tài)信息接口單元3、靶標單元4和數(shù)據(jù)采集處理單元5 ;船舶差分全球定位系統(tǒng)單元I用于保證檢測系統(tǒng)所有單元的時間同步，并獲得光電經(jīng)緯儀單元2和靶標單元4的精確位置信息，傳輸至數(shù)據(jù)采集處理單元5 ;光電經(jīng)緯儀單元2和靶標單元4，接收船舶差分全球定位系統(tǒng)單元I提供的時間同步信號，用于測定船舶舷角，并傳輸采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)采集處理單元5 ;姿態(tài)信息接口單元3，接收船舶差分全球定位系統(tǒng)單元I提供的時間同步信號，可獲得船舶姿態(tài)航向信息，傳輸至數(shù)據(jù)采集處理單元5 ;系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集處理單元5處理得到船用慣導設(shè)備航向精度；
[0008]所涉及的光電經(jīng)緯儀單元2，包括:陀螺穩(wěn)定裝置6，可見光成像系統(tǒng)7、圖像跟蹤器8、主控計算機9、機架10、伺服控制系統(tǒng)11和差分全球定位系統(tǒng)接收天線12 ;可見光成像系統(tǒng)7與差分全球定位系統(tǒng)接收天線12安裝于機架10上，機架10安裝于陀螺穩(wěn)定裝置6上，將光電經(jīng)緯儀的視軸和艦體的運動相隔離；；可見光成像系統(tǒng)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(fā)出指令作用于伺服控制系統(tǒng)11，伺服控制系統(tǒng)11輸出控制信號控制陀螺穩(wěn)定裝置6 ;通過可見光成像系統(tǒng)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、標志天線14、差分全球定位系統(tǒng)模塊15和無線電傳輸模塊16 ;標志天線14、差分全球定位系統(tǒng)模塊15安裝于祀標架臺13頂端,無線電傳輸模塊16安裝于靶標架臺13靠近頂端位置。
[0010]一種船用慣性導航系統(tǒng)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(tǒng)單元I進行各個單元的時間同步，并獲取光電經(jīng)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(jīng)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(jīng)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，并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(jù)姿態(tài)信息接口單元4同步輸出的慣導設(shè)備所測得的航向角Hp，在數(shù)據(jù)采集處理單元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(fā)明的有益效果在于，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(tài)下實時測得航向角偏差，解決了光學測量儀器在船舶處于系泊或者靠岸行駛狀態(tài)時測量誤差較大的問題，而且結(jié)合慣性導航設(shè)備實時輸出航向角偏差，航向角精度試驗提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)總體構(gòu)成示意圖。
[0021]圖2為光電經(jīng)緯儀單元構(gòu)成示意圖。
[0022]圖3為光電經(jīng)緯儀單元基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖4為靶標單元基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖5為大地方位角與航向和舷角的關(guān)系。
[0025]圖6為系統(tǒng)安裝位置簡易圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0027]附圖標記:1船舶DGPS單元，2光電經(jīng)緯儀單元，3姿態(tài)信息接口單元，4靶標單元，5數(shù)據(jù)采集處理單元；6陀螺穩(wěn)定裝置，7可見光成像系統(tǒng)，8圖像跟蹤器，9主控計算機，10光電經(jīng)緯儀機架，11伺服控制系統(tǒng)，12船舶DGPS天線；6雙軸陀螺穩(wěn)定裝置，10光電經(jīng)緯儀機架，7可見光成像系統(tǒng)，8圖像跟蹤器，9主控計算機，11伺服控制系統(tǒng)，12船舶DGPS天線；13靶標單元架臺，14靶標標志天線，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(jīng)緯儀單元主體，19電子設(shè)備箱(含光電經(jīng)緯儀單元2的伺服控制系統(tǒng)11電路板和主控計算機9電路板，船舶DGPS單元1，以及數(shù)據(jù)采集處理單元5)，20船舶導航設(shè)備(含姿態(tài)信息接口單元3)，4靶標單元，21校正光電經(jīng)緯儀初始零位的平面反光鏡。
[0028]本發(fā)明設(shè)計了一種船用動態(tài)航向精度實時檢測系統(tǒng)及方法，可以精確測量并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(shè)備航向角輸出值。系統(tǒng)整體構(gòu)成示意圖如圖1所示。
[0029]本系統(tǒng)包括:船舶DGPS單元1、光電經(jīng)緯儀單元2、靶標單元4、姿態(tài)信息接口單元
3、數(shù)據(jù)采集處理單元5等構(gòu)成。
[0030]船舶DSPS單元1:本單元是系統(tǒng)測量的時間基準和船位基準。該模塊向光電經(jīng)緯儀單元、數(shù)據(jù)采集處理單元、姿態(tài)信息接口單元、靶標單元發(fā)送IPPS (每秒I個脈沖)脈沖
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(jīng)緯儀單元:本單元通過IPPS信號同步采樣標靶在載體坐標系上的舷角和高度角，通過串行接口發(fā)送給數(shù)據(jù)采樣處理單元，供解算使用。該單元包括:陀螺穩(wěn)定裝置6，可見光成像系統(tǒng)7、圖像跟蹤器8、主控計算機9、機架10、伺服控制系統(tǒng)11和DGPS天線12等部分組成，其構(gòu)成示意圖如圖2所示。在圖3中描述了光電經(jīng)緯儀單元2的基本結(jié)構(gòu)，陀螺穩(wěn)定裝置6采用兩軸兩自由度的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，用于消除船體的運動過程中，海浪、風等其他擾動對光電經(jīng)緯儀造成的影響，將光電經(jīng)緯儀的視軸和船體的運動相隔離，使光電經(jīng)緯儀穩(wěn)定在固定的慣性空間方向。陀螺穩(wěn)定平臺上搭載光電經(jīng)緯儀機架10，可見光成像系統(tǒng)7安裝于機架的俯仰軸上，可形成靶標信號圖像。圖像跟蹤器8采用重心跟蹤和相關(guān)跟蹤結(jié)合的方式進行靶標跟蹤，并將跟蹤信息傳遞給主控計算機9，經(jīng)過計算將跟蹤所需轉(zhuǎn)動信息傳遞給伺服控制系統(tǒng)11，調(diào)整光電經(jīng)緯儀機架10，保證光電經(jīng)緯儀實時跟蹤靶標信號。光電經(jīng)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(xiàn)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(jīng)緯儀輸出的航向角測量值，在最終的數(shù)據(jù)處理過程中能與慣性導航設(shè)備以及DGPS系統(tǒng)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(shù)據(jù)中加入絕對時間標簽。
[0032]姿態(tài)信息接口單元3:該單元利用IPPS同步信號將載體姿態(tài)信息(航向角、橫搖角、縱搖角)同步至數(shù)據(jù)采集處理單元5，供航向角解算之用。該單元的姿態(tài)信息主要來源于船舶的慣性導航設(shè)備。
[0033]靶標單元4:具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包括靶標架臺13，標志天線14，DGPS模塊16以及無線電傳輸模塊15。該單元為光電經(jīng)緯儀單元2提供一個具有精確坐標的瞄準點，并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(shù)據(jù)采樣處理單元
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只來構(gòu)建靶標單元4。
[0034]數(shù)據(jù)采集處理單元5:該單元通過IPPS信號同步采樣姿態(tài)信息接口單元數(shù)據(jù)3、光電經(jīng)緯儀單元2測得的目標高度角與舷角數(shù)據(jù)，以及靶標精確坐標點數(shù)據(jù)，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(tǒng)設(shè)備安裝與連接
[0037]首先需要進行系統(tǒng)設(shè)備安裝，系統(tǒng)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(jīng)緯儀單元18，其中陀螺穩(wěn)定裝置6，在其上安裝光電經(jīng)緯儀10，光電經(jīng)緯儀俯仰機架上安裝船舶DGPS天線12和可見光成像系統(tǒng)7。光電經(jīng)緯儀的伺服控制系統(tǒng)電路板11和主控計算機電路板9放在位于單獨的電子設(shè)備箱19內(nèi)。DSPS信息發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)采集處理單元同樣置于此電子設(shè)備箱19內(nèi)。姿態(tài)信息接口與船舶本身的慣性導航設(shè)備相連接于20處。靶標單元4安裝在岸邊附近，距離船舶500m?IOOOm之間，并在靶標上布置DGPS天線，連接好無線傳輸模塊，保證其與數(shù)據(jù)采集處理單元的信息通暢。
[0038]2.光電經(jīng)緯儀單元2調(diào)平與初始零位的確定
[0039]陀螺穩(wěn)定平臺6開始工作，將光電經(jīng)緯儀的視軸和船舶的運動相隔離，即保證光電經(jīng)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法線水平且處于船艏艉線上，調(diào)節(jié)光電經(jīng)緯儀，保證反光鏡法線與經(jīng)緯儀的視向?qū)剩_認位置對準后，即可確認船舶的船艏艉線方向光電經(jīng)緯儀的零位參考方向。
[0040]3.航向角誤差實時測量
[0041]調(diào)整光電經(jīng)緯儀18方向，讓光電經(jīng)緯儀機架俯仰軸上的可見光成像系統(tǒng)7瞄準靶標4，形成靶標信號圖像。圖像跟蹤器8采用重心跟蹤和相關(guān)跟蹤相結(jié)合的方式進行靶標跟蹤，并將跟蹤信息傳遞給主控計算機9，經(jīng)過計算將跟蹤所需轉(zhuǎn)動信息傳遞給伺服控制系統(tǒng)11，調(diào)整光電經(jīng)緯儀10，保證光電經(jīng)緯儀實時跟蹤靶標信號，在光電經(jīng)緯儀零位參考已建立的基礎(chǔ)上，光電經(jīng)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(shù)據(jù)采集處理單元,利用船舶DSPS單元向光電經(jīng)緯儀單元18、祀標單元4、姿態(tài)信息接口單元20、19中的數(shù)據(jù)采集處理單元發(fā)送IPPS (每秒I個脈沖)脈沖信號以及包含時間⑴和船舶船位(緯度，經(jīng)度)(BI，LI)信息的串口報文，由于船舶DGPS天線安裝于光電經(jīng)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(jīng)緯儀的位置信息。
[0043]光電經(jīng)緯儀單元18通過IPPS信號同步采樣標靶4在載體坐標系上的舷角q和高度角，通過串行接口發(fā)送給19中的數(shù)據(jù)采樣處理單元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(shù)據(jù)采樣處理單元5。姿態(tài)信息接口單元20通過IPPS同步信號，將船舶慣性導航設(shè)備測量得到的載體姿態(tài)(航向角、橫搖角、縱搖角)信息同步至數(shù)據(jù)采集處理單元5。19中的數(shù)據(jù)采集處理單元通過IPPS同步信號，可將采集得到光電經(jīng)緯儀18位置(BI，LI)信息、靶標4位置(B2，L2)信息、姿態(tài)信息接口單元20的載體姿態(tài)(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(shù)據(jù)時間一致性，提高實時測量數(shù)據(jù)輸出的準確性。
[0044]根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)信息，運用數(shù)據(jù)采集處理單元5進行計算，具體計算規(guī)則如下:
[0045]設(shè)起點Pl光電經(jīng)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。大地方位角法屬于大地測量常見方法，此處不予贅述。[0046]具體實施例的系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)測量得到的精確航向角；
[0047]經(jīng)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(jù)圖3中所繪制的角度關(guān)系圖，可得到航向角:H = A-q ο
[0048]根據(jù)姿態(tài)信息接口單元輸出的慣導設(shè)備所測得航向角Hp，可得到航向偏差角:ΛΗ=Hp-H。
[0049]電子設(shè)備箱19中的數(shù)據(jù)采集處理單元可以經(jīng)DGPS時間同步后計算得到船舶安裝慣性導航設(shè)備的航向偏差值，由于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并進行輸出。
[0050]本系統(tǒng)可以應(yīng)用于船舶處于系泊、勻速直航等運動狀態(tài)時，從檢測系統(tǒng)實時輸出的航向偏差 角的大小可以判斷安裝于船舶上的慣性導航設(shè)備的精度。
【權(quán)利要求】
1.一種船用慣性導航系統(tǒng)的航向精度實時檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括:船舶差分全球定位系統(tǒng)單元(1)、光電經(jīng)緯儀單元(2)、姿態(tài)信息接口單元(3)、靶標單元(4)和數(shù)據(jù)采集處理單元(5);船舶差分全球定位系統(tǒng)單元(1)用于保證檢測系統(tǒng)所有單元的時間同步，并獲得光電經(jīng)緯儀單元(2 )和靶標單元(4 )的精確位置信息，傳輸至數(shù)據(jù)采集處理單元(5 );光電經(jīng)緯儀單元(2)和靶標單元(4)，接收船舶差分全球定位系統(tǒng)單元(1)提供的時間同步信號，用于測定船舶舷角，并傳輸采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)采集處理單元(5 );姿態(tài)信息接口單元(3)，接收船舶差分全球定位系統(tǒng)單元(1)提供的時間同步信號，可獲得船舶姿態(tài)航向信息，傳輸至數(shù)據(jù)采集處理單元(5);系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集處理單元(5)處理得到船用慣導設(shè)備航向精度； 所述的光電經(jīng)緯儀單元(2)，包括陀螺穩(wěn)定裝置(6)，可見光成像系統(tǒng)(7)、圖像跟蹤器(8)、主控計算機(9)、機架(10)、伺服控制系統(tǒng)(11)和差分全球定位系統(tǒng)接收天線(12);可見光成像系統(tǒng)(7)與差分全球定位系統(tǒng)接收天線(12)安裝于機架(10)上，機架(10)安裝于陀螺穩(wěn)定裝置(6)上，將光電經(jīng)緯儀的視軸和艦體的運動相隔離；可見光成像系統(tǒng)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(fā)出指令作用于伺服控制系統(tǒng)(11)，伺服控制系統(tǒng)(11)輸出控制信號控制陀螺穩(wěn)定裝置(6);通過可見光成像系統(tǒng)(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)、標志天線(14)、差分全球定位系統(tǒng)模塊(15)和無線電傳輸模塊(16);標志天線(14)、差分全球定位系統(tǒng)模塊(15)安裝于靶標架臺(13)頂端，無線電傳輸模塊(16)安裝于靶標架臺(13)靠近頂端位置。
2.一種船用慣性導航系統(tǒng)的航向精度實時檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、利用船舶差分全球定位系統(tǒng)單元(1)進行各個單元的時間同步，并獲取光電經(jīng)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(jīng)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(jīng)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，并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(jù)姿態(tài)信息接口單元(4)同步輸出的慣導設(shè)備所測得的航向角Hp，在數(shù)據(jù)采集處理單元(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(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)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, 于鑫彪 申請人:哈爾濱工程大學