CN103163508B - 一种用于水下ins和dvl组合导航系统的dvl参数标定方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于水下INS和DVL组合导航系统的DVL参数标定方法,其流程为:(1)水下航行器完成初始对准后,进行第一次GNSS校准;(2)匀速直航一定距离后进行第二次GNSS校准;(3)根据两次校准记录的GNSS和组合导航位置信息,计算DVL参数;(4)航行器折返并匀速直航一定距离后进行第三次GNSS校准,计算DVL参数,根据上次DVL参数迭代计算总的DVL参数;(5)航行器折返并直航一定距离时,进行第四次GNSS校准,根据第四次校准组合导航位置和GNSS位置信息,计算组合导航的位置误差,判断精度是否满足要求,若满足则标定完成,否则迭代计算以完成标定。本发明具有计算简单、精度高、操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及到导航系统领域,特指一种主要适用于远程水下航行器惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)与多普勒测速仪(Doppler Velocity Log,DVL)组合导航中的DVL参数标定方法。
背景技术
由于远程水下航行器具有远航程的特点,单一的导航系统都无法满足需求。惯性导航具有自主、短时定位精度高的优势,但存在位置误差随时间累积的缺点;GNSS(Global NavigationSatellite System)导航定位精度高,定位误差不随时间累积,但存在抗干扰能力弱,且无法进行水下导航等不足。SINS/DVL组合导航则是利用DVL提供的高精度速度信息抑制SINS定位误差的累积,其具有自主性和定位精度高的优点,成为了远程水下潜航器导航技术研究的热点。
而DVL的参数(即:DVL刻度因子、DVL与INS基准之间安装角偏差)是影响自主导航精度的关键因素,因此在组合导航时必须对它们进行标定和补偿。目前,在水下INS/DVL组合导航中主要采用较高的加工工艺以保证DVL与INS基准之间的安装关系,或者采用全程使用GNSS方式事先标定DVL的参数。对于上述采用搞精度加工工艺的办法而言,其成本高,并且很难保证DVL与INS之间的安装精度,从而导致INS/DVL组合导航定位精度下降;而对上述全程使用GNSS信号来标定DVL参数的方式而言,则必须使水下航行器浮出水面接受GNSS信号,因此也存在操作复杂等缺点。
总而言之,现有远程水下航行器INS/DVL组合导航中的DVL参数标定方法均存在成本高、操作复杂等不足,难以满足远程水下潜航器高精度INS/DVL组合导航日益迫切的高精度要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本发明提供一种计算简单、精度高、操作简单的用于水下INS和DVL组合导航系统的DVL参数标定方法,其可广泛应用于远程水下航行器组合导航中的DVL参数标定,从而提高INS/DVL组合导航系统的精度。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种用于水下INS和DVL组合导航系统的DVL参数标定方法,其流程为:
(1)第一次GNSS校准:水下航行器完成初始对准后,进入SINS/DVL组合导航状态,浮出水面接收GNSS信号,进行第一次GNSS校准,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI0,uI0,zI0)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG0,yG0,zG0),作为校准点1的信息;
(2)第二次GNSS校准:水下航行器匀速直航,并以INS/DVL组合导航状态工作,航行一段距离后水下航行器上浮开始接收GNSS信号,进行第二次校准,记录从第一个校准点开始到第二个校准点DVL天向投影速度的积分HDVL,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI1,yI1,zI1)和GNSS位置(xG1,yG1,zG1),作为校准点2的信息;
(3)计算DVL参数:根据校准点1和校准点2记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数;即:DVL刻度因子K0、DVL与INS的方位安装角偏差α0和俯仰安装角偏差β0,然后代入INS/DVL组合导航进行计算,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI2,yI2,zI2)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG2,yG2,zG2),作为校准点3的信息;
(4)第三次GNSS校准:航行器折返并匀速直航,航行一定距离时,进行第三次GNSS校准,记录从校准点2开始到校准点3DVL速度在天向投影的积分HDVL,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI3,yI3,zI3)和GNSS的位置信息(xG3,yG3,zG3),作为校准点4的信息,根据校准点3和校准点4的信息,计算DVL刻度因子K1、DVL与INS的方位安装角偏差α1和俯仰安装角偏差β1;
(5)根据上次DVL参数迭代计算总的DVL参数:总DVL刻度因子K、DVL与INS的总方位安装角偏差α和总俯仰安装角偏差β,迭代计算公式如下:
K=K0×K1 α=α0+α1 β=β0+β1
然后代入INS/DVL组合进行计算,记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航位置(xI4,yI4,zI4)和GNSS的位置信息(xG4,yG4,zG4),作为校准点5的信息;
(6)第四次GNSS校准:航行器开始下潜折返并匀速直航,当航行一定距离(如5Km)时,进行第四次校准。当GNSS信息有效时,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI5,yI5,zI5)和GNSS位置(xG5,yG5,zG5)作为校准点6的信息。根据校准点6组合导航位置(xI5,yI5,zI5)和GNSS位置(xG5,yG5,zG5)信息,计算组合导航的位置误差,判断精度是否满足要求,若满足要求,保存DVL参数,标定完成,否则根据校准点5和校准点6记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数,根据上次DVL参数计算总的DVL参数,并保存DVL参数,标定完成。
作为本发明的进一步改进:
所述步骤(3)的具体流程为:
(a)分别计算组合导航和GNSS的校准点1到校准点2位置矢量:
RINS/DVL=(xI1,yI1,zI1)T-(xI0,yI0,zI0)T (1)
RGNss=(xG1,yG1,zG1)T-(xG0,yG0,zG0)T (2)
(b)根据位置矢量计算方位安装角偏差α0和DVL刻度因子K0:
从而可以得到方位角安装偏差α0为:
DVL刻度因子K0计算公式为:
(c)根据DVL速度在天向投影的积分HDVL,可以求得俯仰安装角偏差β0如下:
所述步骤(6)的具体流程为:
(a)计算校准点6位置误差Perror:
(b)误差的判断:如果Perror<10m,则保存标定参数,标定完成。否则根据校准点5和校准点6记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,按照公式(1)~(6)计算DVL参数,根据上次DVL参数计算总的DVL参数,并保存DVL参数,标定完成。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明的DVL参数标定方法,不需要全程提供GNSS卫星信息,只需用开始点潜航器上浮接收GNSS信号,然后下潜航行一段距离后,再上浮接收GNSS信息,根据一段距离的首尾两点组合导航位置信息和GNSS位置信息计算DVL相关的标定参数,具有操作简单、计算简单等优点。
2、本发明采用迭代方法求解惯导系统与DVL之间安装角偏差及DVL刻度因子,这样可以提高安装角偏差及刻度因子估计精度,提高自主导航定位的精度。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在执行时的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示,本发明的用于水下INS和DVL组合导航系统的DVL参数标定方法,其流程为:
(1)第一次GNSS校准:水下航行器完成初始对准后,进入SINS/DVL组合导航状态,浮出水面接收GNSS信号,进行第一次GNSS校准,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI0,yI0,zI0)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG0,yG0,zG0),作为的信息,即图2所示的校准点1;
(2)第二次GNSS校准:水下航行器匀速直航,并以INS/DVL组合导航状态工作,航行一段距离(如大约8Km)后水下航行器上浮开始接收GNSS信号,进行第二次校准,记录从第一个校准点开始到第二个校准点DVL天向投影速度的积分HDVL,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI1,yI1,zI1)和GNSS位置(xG1,yG1,zG1),作为校准点2的信息,即图2所示的校准点2;
(3)计算DVL参数:根据校准点1和校准点2记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数;即:DVL刻度因子K0、DVL与INS的方位安装角偏差α0和俯仰安装角偏差β0,然后代入INS/DVL组合导航进行计算,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI2,yI2,zI2)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG2,yG2,zG2),作为校准点3的信息,即图2所示的校准点3;
(a)分别计算组合导航和GNSS的校准点1到校准点2位置矢量:
RINS/DVL=(xI1,yI1,zI1)T-(xI0,yI0,zI0)T (1)
RGNSS=(xG1,yG1,zG1)T-(xG0,yG0,zG0)T (2)
(b)根据位置矢量计算方位安装角偏差α0和DVL刻度因子K0:
从而可以得到方位角安装偏差α0为:
DVL刻度因子K0计算公式为:
(c)根据DVL速度在天向投影的积分HDVL,可以求得俯仰安装角偏差β0如下:
(4)按照图2进行第三次GNSS校准,并依照公式(1)~(6)计算DVL刻度因子K1、DVL与INS的方位安装角偏差α1和俯仰安装角偏差β1;即根据校准点3组合导航位置(xI2,yI2,zI2)和GNSS的位置信息(xG2,yG2,zG2)及校准点4记录的组合导航位置(xI3,yI3,zI3)和GNSS的位置信息(xG3,yG3,zG3),校准点3开始到校准点4DVL速度在天向投影的积分HDVL,根据上述公式(1)至(6)计算DVL参数:DVL刻度因子K1、DVL与INS的方位安装角偏差α1和俯仰安装角偏差β1。
(5)根据上次DVL参数迭代计算总的DVL参数:总DVL刻度因子K、DVL与INS的总方位安装角偏差α和总俯仰安装角偏差β,迭代计算公式如下:
K=K0×K1 α=α0+α1 β=β0+β1 (7)
然后代入INS/DVL组合进行计算,记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航位置(xI4,yI4,zI4)和GNSS的位置信息(xG4,yG4,zG4),作为校准点5的信息;
(6)按照图2进行第四次GNSS校准,根据校准点6组合导航位置(xI5,yI5,zI5)和GNSS位置(xG5,yG5,zG5)信息,计算组合导航的位置误差,判断精度是否满足要求,若满足要求,保存DVL参数,标定完成,否则根据校准点5和校准点6记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数,根据上次DVL参数计算总的DVL参数,并保存DVL参数,标定完成。
(a)计算校准点6位置误差Perror:
(b)误差的判断:如果Perror<10m,则保存标定参数,标定完成。否则根据校准点5和校准点6记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,按照公式(1)~(6)计算DVL参数,根据上次DVL参数按照公式(7)计算总的DVL参数,并保存DVL参数,标定完成。
由于惯导的基准坐标系和DVL基准坐标系的不统一及DVL速度存在刻度因子误差,从而使得SINS/DVL组合的位置和真实的位置存在偏差,本发明则是根据位置偏差计算惯导系统与DVL之间安装角偏差及DVL刻度因子。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种用于水下INS和DVL组合导航系统的DVL参数标定方法,其特征在于,流程为:
(1)第一次GNSS校准:水下航行器完成初始对准后,进入SINS/DVL组合导航状态,浮出水面接收GNSS信号,进行第一次GNSS校准,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI0,yI0,zI0)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG0,yG0,zG0),作为校准点1的信息;
(2)第二次GNSS校准:水下航行器匀速直航,并以INS/DVL组合导航状态工作,航行一段距离后水下航行器上浮开始接收GNSS信号,进行第二次校准,记录从第一个校准点开始到第二个校准点DVL天向投影速度的积分HDVL,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI1,yI1,zI1)和GNSS位置(xG1,yG1,zG1),作为校准点2的信息;
(3)计算DVL参数:根据校准点1和校准点2记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数;即:DVL刻度因子K0、DVL与INS的方位安装角偏差α0和俯仰安装角偏差β0,然后代入INS/DVL组合导航进行计算,并记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航的基于地心地固坐标系下的位置(xI2,yI2,zI2)和GNSS的基于地心地固坐标系下的位置信息(xG2,yG2,zG2),作为校准点3的信息;
(4)第三次GNSS校准:航行器折返并匀速直航,航行一定距离时,进行第三次GNSS校准,记录从校准点2开始到校准点3DVL速度在天向投影的积分HDVL,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI3,yI3,zI3)和GNSS的位置信息(xG3,yG3,zG3),作为校准点4的信息;根据校准点3和校准点4的信息,计算DVL刻度因子K1、DVL与INS的方位安装角偏差α1和俯仰安装角偏差β1;
(5)根据上次DVL参数迭代计算总的DVL参数:总DVL刻度因子K、DVL与INS的总方位安装角偏差α和总俯仰安装角偏差β,迭代计算公式如下:
K=K0×K1 α=α0+α1 β=β0+β1
然后代入INS/DVL组合进行计算,记录当GNSS最后一次位置有效时的组合导航位置(xI4,yI4,zI4)和GNSS的位置信息(xG4,yG4,zG4),作为校准点5的信息;
(6)第四次GNSS校准:航行器开始下潜折返并匀速直航,当航行一定距离时,进行第四次校准;当GNSS信息有效时,记录当GNSS位置第一次有效时且没有校准的组合导航位置(xI5,yI5,zI5)和GNSS位置(xG5,yG5,zG5)作为校准点6的信息;根据校准点6组合导航位置(xI5,yI5,zI5)和GNSS位置(xG5,yG5,zG5)信息,计算组合导航的位置误差,判断精度是否满足要求,若满足要求,保存DVL参数,标定完成;否则根据校准点5和校准点6记录的GNSS位置信息和组合导航位置信息,计算DVL参数;根据上次DVL参数计算总的DVL参数,并保存DVL参数,标定完成;
所述步骤(3)的具体流程为:
(a)分别计算组合导航和GNSS的校准点1到校准点2位置矢量:
RINS/DVL=(xI1,yI1,zI1)T-(xI0,yI0,zI0)T (1)
RGNSS=(xG1,yG1,zG1)T-(xG0,yG0,zG0)T (2)
(b)根据位置矢量计算方位安装角偏差α0和DVL刻度因子K0:
从而可以得到方位角安装偏差α0为:
DVL刻度因子K0计算公式为:
(c)根据DVL速度在天向投影的积分HDVL,可以求得俯仰安装角偏差β0如下:
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