在现代化的舰船上, 有很多通导设备, 都需要导航数据作为自动控制或测量、显示用, 这些导航数据( 主要指航向、纵摇、横摇、航速等) 的准确发送是上述系统正常工作的基础, 也是舰船安全航行的保证。
航向数据是重要的导航数据之一, 在大多数情况下它由电罗经提供, 并由航向再发送装置输出。
在现代化的舰船上，有很多通导设备，都需要导航数据作为自动控制或测量、显示用，这些导航数据(主要指航向、纵摇、横摇、航速等)的准确发送是上述系统正常工作的基础，也是舰船安全航行的保证。
航向数据是重要的导航数据之一，在大多数情况下它由电罗经提供，并由航向再发送装置输出。目前国内船用电罗经航向再发送装置主要是由自整角机带动分罗经来显示航向，其输出的航向信号为模拟量，这种形式的航向信号已不能满足现代化舰船的船用设备对导航数据提出的要求。航向数据的准确性与舰船安全航行息息相关，其数据精度取决于陀螺仪自身的漂移误差、结构形变以及湿度、温度等参量，并且与之存在着显著的非线性关系。
航向数据的准确性与舰船安全航行息息相关，其数据精度取决于陀螺仪自身的漂移误差、结构形变以及湿度、温度等参量，并且与之存在着显著的非线性关系。通过分析数据，判断系统运动特性，短时预测系统行为，进而为修正系统误差提供基础。目前以参数辨识为主的分析方法需要通过理想化部分参量的数值进而简化原系统建模，显然降低了模型对原系统的拟合度。混沌特性分析理论为解决这类非线性问题提出了一种新方法。惯导航向输出数据可以看作是一个多种相关量综合作用下的非线性混沌时间序列，输出数据通常会表现出极其复杂而难以长期精确预测的演化特征，利用混沌理论中的相空间重构方法，可将输出数据时间序列扩展到高维相空间，体现时间序列信息后再进行短时预测。
由于测量原理及工具的限制，使得时间序列不可避免地带有噪声。因此如何将服从一定规律的信号（如混沌信号）与无规律的噪声相区分是分析时间序列特性的关键。分析混沌时间序列的方法主要有主分量分析方法、功率谱分析方法、最大Lyapunov指数法、庞加莱截面法、饱和关联维数法等，由于这些方法都是从某一方面对序列进行判别，是判断序列是否混沌的必要条件，因此需要采取多种方法结合的方式，以确保判别的准确性。下面采用功率谱分析方法、主分量分析方法和最大Lyapunov指数方法分别分析航向数据时间序列的特性。
在一些物理现象中，频率f与相应的功率E(f)之间具有指数关系，功率谱的幂函数形式表明，虽然频率f在空间中跨越很宽的尺度，但其结构却有自相似的特征，因此，看上去不规则的时间序列图像，其功率谱却可能呈现出规则性。一般地，功率谱具有单峰（或多个峰）的谱图对应于周期序列（或拟周期序列）；无明显的峰值或峰连成一片，则对应于湍流或混沌序列。所以，可用功率谱分析作为判断序列混沌的一种方法。
主分量分析（PCA分布）方法是近年来提出的一种能有效识别与分析混沌和噪声的方法，由于混沌信号和噪声的主分量分布之间存在着显著差异，混沌信号的主分量谱图是一条近似直线（或含有类似直线的部分），其斜率为负值且过定点，而噪声信号的主分量谱图是一条与x轴接近平行的直线，所以可用于判断所采集的航向数据时间序列是否为混沌时间序列。
以上两种方法是通过定性分析判断混沌特性的，而最大Lyapunov指数方法则通过定量分析判断混沌特性。混沌运动具有初值敏感性的特点，因此即使两个初值较为靠近，随着时间的推移，其产生的轨道仍会按指数方式分离，这一现象可采用Lyapunov指数定量描述。若最大Lyapunov小于零，意味着初始相邻点经迭代后最终要靠拢合并成一点，对应于稳定的不动点或周期运动；若最大Lyapunov大于零，意味着相邻点最终要分离，对应于轨道的局部不稳定，或在整体稳定因素作用下反复折叠形成混沌吸引子。因此，最大Lyapunov指数可作为判断时间序列混沌特性的一个条件。
电控罗经是舰船海上航行时的主要航行工具，但是实际应用中由于多种干扰噪声的存在造成陀螺罗经指向精度不高，如何抑制这些误差对提高罗经指向精度有着极其重要的意义。建立包括陀螺仪随机漂移在内的罗经误差模型，运用Kalman滤波器进行估计，是对各种误差在线补偿的有效途径。然而经典的Kalman滤波理论是在假设系统动态过程和测量噪声的先验统计信息已知的情况下得到的，这使得传统的Kalman滤波在实际应用中有一定的局限性。
由经典卡尔曼滤波理论可知，经典的卡尔曼滤波是建立在H2估计准则基础上的，它要求准确的系统模型和确切已知外部干扰信号的统计特性。而在本课题的研究中可知，电控罗经航向数据中存在各种误差影响，其统计特性是难以确切知道的。
建立的离散状态空间模型由下列状态方程和测量方程描述：
式中Xk为k时刻系统状态;φk+1,k为状态转移矩阵;Wk为系统噪声;Zk为k时刻量测值;Hk为量测矩阵;Vk为量测噪声在利用经典卡尔曼滤波过程中,由于系统噪声和量测噪声是不确切知道的,均假设为白噪声,设统计特性Q=1,R=1。
航向数据再发送装置硬件电路如图3所示:
DH—3/CLZ—Ⅱ航向数据再发送装置电路由两大部分组成，第一部分是轴角—数字转换电路，第二部分是航向数字码读取、换算与再发送电路。
1)轴角—数字转换电路
船舶航行过程中，当航向发生变化时，DH—3型电罗经输出的航向角经360:1的齿轮组升速，带动自整角机转子转动，输出航向变化增量。
图4中的激磁电压um，与自整角机交流绕组的三相电压分别为:
式中:Vm——激磁电压幅值;
k——自整角机初、次级电压比;
ω——激磁电压角频率;
θ——转子相对定子空间位置角。
从式中可知，自整角机输出代表航向变化的三相电压在时间上都具有sin时的形式，其幅度和相位受转子角位置θ的调制，即受sinθ、sin(θ+120°)、sin(θ+240°)的调制。
2）航向数字码读取、换算与再发送电路
航向数字码读取，换算与再发送电路是以8031为核心的专用单片机电路。
8031单片机从lP口读入轴角—数字转换电路输出的轴角变化数字编码，然后根据对照关系，执行专用程序模块将轴角变化换算成航向变化(每一次轴角状态编码变化对应航向变化5'，即1/12度)，最后将累积计算后的航向数据以AscⅡ码形式，通过8031单片机的TxD端和MC1489电平转换器，按RS—232C标准连续、实时地发送出去。
航向数据再发送装置的软件由3个程序模块组成:
1)主程序模块;
2)航向数据编码读取、换算、诊断累积计算与代码转换子程序模块;
3)ASCⅡ码形式航向数据发送中断子程序模块
1、主程序模块
2、航向数据编码读取、换算、诊断、累积计算及代码转换子程序
该中断子程序如图5所示。
3、航向数据发送中断子程序
进入串行发送中断子程序后，首先判断是否已采集过轴角编码数据，即判断第一次NITO标志是否置位，若设置位，说明自整角机三相电压没接入或接入相序有错，则发送“告警指示数据块”，若已置位，说明已采集到轴角编码数据，则发送“航向数据块”。
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