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申请/专利权人：中国人民解放军海军工程大学

摘要：本发明涉及一种基于潜器空间运动模型的捷联惯导系统仿真方法，包括步骤如下：1以潜器空间六自由度运动模型为基础，综合考虑螺旋桨推力、方向舵和首尾升降舵的操纵信息和海流等环境信息，从而构建起完整的潜器空间运动模型。本发明在潜器空间运动模型的基础上，通过设计合理的变换算法，建立潜器空间运动模型输出与捷联惯导系统输出的有效关系，实现两者的有效衔接，从而完成基于潜器空间运动模型的捷联惯导系统的仿真，不仅仅为潜器的性能考核提供了有力参考，也为特殊条件下的捷联惯导系统误差仿真提供了有效的手段，具有很强的理论意义和实用价值。

主权项：1.一种基于潜器空间运动模型的捷联惯导系统仿真方法，其特征在于，包括步骤如下：1以潜器空间六自由度运动模型为基础，综合考虑螺旋桨推力、方向舵和首尾升降舵的操纵信息和海流环境信息，从而构建起完整的潜器空间运动模型；2根据所述步骤1中潜器空间运动模型所得出的运动参数，通过设计合理的变换算法，模拟仿真潜器的捷联惯导的陀螺仪的加速度信息；3建立捷联惯导的误差模型，通过改变潜器的运动状态，利用各种指标对惯导系统的最终输出进行验证；坐标系及运动参数潜器的运动采用固定坐标系{f}和运动坐标系描述，导航领域采用惯性坐标系{i}、地球坐标系{e}、地理坐标系{g}和载体坐标系{b}，潜器作空间六自由度运动，b系表示的潜器广义对地速度其中线速度u为纵向速度，υ为横向速度，w为垂向速度，角速度p为横摇角速度，q为纵摇角速度，r为转艏角速度；f系表示的潜器广义位置η＝[pf,θ]T＝[xf,yf,zf,φ,θ,ψ]T，其中位置pf＝[xf,yf,zf]T，姿态角是由f系或g系按照z-y-x的顺序转动到b系的角度，φ为横倾角，θ为纵倾角，ψ为航向；导航领域，潜器位置在e系下表示为为纬度，λ为经度，d为深度，速度在g系下表示为分别为北向速度、东向速度和地向速度；给出潜器空间运动模型如下：1潜器动力学方程将潜器视为刚体，根据牛顿运动定律和流体力学原理，同时考虑非旋转定常海流，可以得到如下潜器动力学方程： 有关量的物理意义如下： 为潜器对水速度：M为惯性阵，其表达式为： 其中，M＝MT，MRB为刚体惯性阵，MA为附加质量惯性阵；Cvr＝CRBvr+CAvr为刚体科氏-向心力阵，其中CRBvr为刚体科氏-向心力阵，CAvr为附加质量科氏-向心力阵，表达式分别为： Dvr＝dl+Dl+Dnvr为阻力阵，dl为升力，Di为线性阻力阵，Dnνr为非线性阻力阵，表达式分别为： τsη为恢复力，来自重力W和浮力B，表达式为： τAct为驱动力，来自螺旋桨推力和舵力，表达式为： 式中，控制输入为螺旋桨转速n、方向舵舵角δr及艉升降舵角δs,Dp为螺旋桨直径，KT为螺旋桨推力系数，KQ为螺旋桨转矩系数，ρ为海水密度；2.潜器运动学方程潜器的运动学方程实际上是通过转换矩阵实现b系到f系的线速度和角速度转换，积分即可获得b系中的位置和姿态；令b系相对f系或g系的转动四元数q＝[q0，q1，q2，q3]T，广义位置矢量ηq＝[pf，q]T则以四元数表示的运动学方程为： 其中，姿态转换阵为： 四元数的初值可由欧拉角按下式计算： 解算结束后，按下式计算欧拉角输出： 3.非旋转海流模型若已知流速为Vc，漂角为βc，攻角为αc，则地理系下的流速矢量可写为 设非旋转海流在载体系下的广义速度矢量有其中，S为反对称阵： 捷联惯导传感器输出模拟由潜器空间运动模型输出模拟出陀螺仪和加速度计的角速度和比力信号的具体内容为：潜器空间运动模型输出b系相对f系的角速度线速度以及姿态θ与位置pf，而捷联惯导的陀螺仪和加速度计分别敏感b系相对i系的角速度和比力并解算g系表示的姿态θ、速度及位置pe，实现潜器空间运动模型所得出的惯导运动参数的转换的方法为：由潜器空间运动模型输出的角速度速度和加速度计算陀螺仪角速度和加速度计比力并叠加惯性器件噪声，从而获得陀螺仪和加速度计的实际输出和1三轴角速度信息模拟由潜器空间运动模型输出的角速度考虑地球自转和和载体运动，可计算角速度 其中，为地球自转引起的地理系旋转角速度，为由载体运动引起的角速度，表达式为： 考虑陀螺仪的常值漂移εb、随机游走wg、标度因子误差δKg及安装误差Eg，则陀螺仪的实际角速度输出为 2三轴比力信息模拟惯导速度更新方程为 对其变形可得 对进行求导得 最后可得不考虑误差源条件下的比力信息 在此基础上，考虑加速度计常值漂移Δb、随机游走wA、标度因子误差δKa及安装误差Ea，则加速度计的实际比力输出为： 至此，建立了潜器运动模型输出与陀螺仪、加速度计输出的变换关系；通过潜器运动模型得到相应的速度和角速度后，由上述公式便可模拟陀螺仪和加速度计的原始输出信息，用于之后的惯导解算。

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