CN105509765B - 一种惯性/dvl/usbl安装误差标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法。首先，定义坐标系：a)导航坐标系n；b)载体坐标系b；c)DVL设备坐标系s；d)USBL基阵坐标系a；然后，进行误差标定，包括如下步骤：步骤1、惯导/DVL安装误差标定；步骤2、惯导/USBL安装误差标定。本方法依照最优标定几何模型，将惯导/DVL设备组合旋转90°，使用旋转前后的惯性、DVL、GPS测量数据进行惯导/DVL安装误差标定；沿环形轨迹航行，使用正反向环形轨迹上的惯性、USBL、GPS测量数据进行惯导/USBL安装误差标定，获得高精度的安装误差标定结果。

Description

一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法
技术领域
本发明涉及一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法。
技术背景
在惯性/DVL/USBL组合导航系统中，惯导/DVL、惯导/USBL安装误差标定准确性对组合导航性能有重要影响，通常采用的惯导/DVL、惯导/USBL安装误差标定方法无法保证标定结果最优。
发明内容
发明目的
本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种高精度的安装误差标定方法。
技术方案
本发明是一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其中，包括如下步骤：
首先，定义坐标系：
a)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质心上；
b)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；
c)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；
d)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，xayaza构成右手坐标系；
然后，进行误差标定，包括如下步骤：
步骤1、惯导/DVL安装误差标定；
首先，沿着指定的第一航段、GPS速度、DVL速度采集，然后，将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度；利用两次采集的数据计算DVL坐标系至载体系转换矩阵；
步骤2、惯导/USBL安装误差标定；
首先，沿指定的第一环形航迹绕USBL水下应答器航行，并且采集GPS位置、USBL定位数据，然后，船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据；利用两次采集的数据计算USBL基阵坐标系至载体系转换矩阵。
如上所述的一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其中，
在步骤1中，将GPS速度Vn投影至载体系b：
其中为惯导解算姿态阵；
载体系至DVL坐标系转换矩阵则DVL速度和GPS速度在载体系投影有如下关系：
惯导与DVL刚性固定连接，二者相对位置关系不变，待求量是常值矩阵；
沿指定的第一航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值
其中：
k为离散时间点；
n为速度采样总数；
其中：
k为离散时间点；
m为速度采样总数；
式(3)、(4)速度均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和is，js，ks：
则DVL坐标系至载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了DVL安装误差；
在步骤2中，设USBL应答器在基阵内的相对位置测量值为La，基阵坐标系中心和应答器的大地坐标分别为P、Pt，为惯导解算姿态阵，为基阵坐标系到载体系的转换矩阵，由于惯导与USBL基阵固联，为常值矩阵；根据以上条件可以计算应答器相对基阵中心的位置增量：
ΔP＝Pt-P (9)
将位置增量转换为导航系n内的距离Ln：
其中L为当地纬度；
RM为子午圈曲率半径；
RN卯酉圈曲率半径；
通过位置增量计算得出的距离相对地球半径很小，对上述距离作圆弧—直线近似，则Ln可认为是应答器在当地地理坐标系内的坐标，该坐标与应答器在基阵坐标系内的坐标有如下关系：
进而
其中Lb是应答器在载体系b内坐标；
船载GPS可提供精确的位置测量，补偿掉USBL相对GPS的杆臂位置后可作为USBL安装误差标定的位置基准；
沿指定的第一环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值
其中：
k为离散时间点；
n为位置采样总数；
船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值
其中：
k为离散时间点；
m为位置采样总数；
式(13)、(14)位置均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和ia，ja，ka：
则基阵坐标系到载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了USBL基阵安装误差。
有益效果
本方法依照最优标定几何模型，将惯导/DVL设备组合旋转90°，使用旋转前后的惯性、DVL、GPS测量数据进行惯导/DVL安装误差标定；沿环形轨迹航行，使用正反向环形轨迹上的惯性、USBL、GPS测量数据进行惯导/USBL安装误差标定，获得高精度的安装误差标定结果。
具体实施方式
以下，结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。
本发明所述一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，依照最优标定几何模型，将惯导/DVL设备组合旋转90°，使用旋转前后的惯性、DVL、GPS测量数据进行惯导/DVL安装误差标定；沿环形轨迹航行，使用正反向环形轨迹上的惯性、USBL、GPS测量数据进行惯导/USBL安装误差标定，获得高精度的安装误差标定结果。
首先，对本发明使用的坐标系进行定义：
e)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质心上；
f)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；
g)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；
h)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，xayaza构成右手坐标系。
以下分两部分介绍惯导/DVL、惯导/USBL安装误差标定方法。
1.惯导/DVL安装误差标定
将GPS速度Vn投影至载体系b：
其中为惯导解算姿态阵。
载体系至DVL坐标系转换矩阵则DVL速度和GPS速度在载体系投影有如下关系：
惯导与DVL刚性固定连接，二者相对位置关系不变，待求量是常值矩阵。
沿指定的第一航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值
其中：
k为离散时间点；
n为速度采样总数。
其中：
k为离散时间点；
m为速度采样总数。
式(3)、(4)速度均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和is，js，ks：
则DVL坐标系至载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了DVL安装误差。
所述第一航段、第二航段均可以任意指定，没有限制，能够得到多个GPS速度、DVL速度，计算均值即可。
2.惯导/USBL安装误差标定
设USBL应答器在基阵内的相对位置测量值为La，基阵坐标系中心和应答器的大地坐标分别为P、Pt，为惯导解算姿态阵，为基阵坐标系到载体系的转换矩阵，由于惯导与USBL基阵固联，为常值矩阵。根据以上条件可以计算应答器相对基阵中心的位置增量：
ΔP＝Pt-P (9)
将位置增量转换为导航系n内的距离Ln：
其中L为当地纬度；
RM为子午圈曲率半径；
RN卯酉圈曲率半径。
通过位置增量计算得出的距离相对地球半径很小，对上述距离作圆弧—直线近似，则Ln可认为是应答器在当地地理坐标系内的坐标，该坐标与应答器在基阵坐标系内的坐标有如下关系：
进而
其中Lb是应答器在载体系b内坐标。
船载GPS可提供精确的位置测量，补偿掉USBL相对GPS的杆臂位置后可作为USBL安装误差标定的位置基准。
沿指定的第一环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值
其中：
k为离散时间点；
n为位置采样总数。
第一环形航迹可以任意指定，只要为环形，能够得到环形轨迹上的定位数据即可。
船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算 及其均值
其中：
k为离散时间点；
m为位置采样总数。
式(13)、(14)位置均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和ia，ja，ka：
则基阵坐标系到载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了USBL基阵安装误差。
按上述方法，对某次试验中惯性、DVL、USBL、GPS数据进行处理，计算惯导/DVL、惯导/USBL安装误差，具体实施方式如下：
1.惯导/DVL安装误差标定
直行段采集DVL和GPS速度数据；将DVL绕垂向轴旋转90°继续沿直行段采集DVL和GPS速度数据，并计算DVL速度均值和GPS速度投影至载体系速度均值，如下表所示：
表1速度矢量均值(单位：m/s)
将上述速度均值代入安装误差计算公式(8)可以得出转换矩阵的九个元素：
由估计出的安装误差转换矩阵计算载体系到DVL设备坐标系的姿态角，分别为俯仰角0.0779°，航向角-15.068°，滚动角-0.114°。
在式(19)转换矩阵基础上，人为使惯导和DVL坐标系间的安装误差角变化1°，再次进行惯导/DVL安装误差标定，对比前后安装误差角标定结果。
将再次标定得到的转换矩阵转换为姿态角后与式(19)对应姿态角进行比较，得出标定误差，如下表所示：
表2标定结果统计(单位：°)
项目 加入误差前 加入误差后 标定误差
俯仰角 0.0779 1.7581 -0.0299
航向角 -15.068 -14.107 -0.039
滚动角 -0.114 0.958 0.072
由上表统计结果可知，本文提出的标定方法可准确估计出人为加入的安装误差角，验证了惯导/DVL安装误差角的标定方法的有效性。
2.惯导/USBL安装误差标定
分别沿环形航迹1、2绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，如下表：
表3位置矢量均值(单位：m)
将位置矢量均值代入公式(18)可以得出转换矩阵的九个元素：
在上述标定出的转换矩阵的基础上，人为加入1°安装误差，再次进行惯导/USBL安装误差标定，对比前后安装误差角标定结果。
将再次标定得到的转换矩阵转换为姿态角后与式(20)对应姿态角进行比较，得出标定误差，如下表所示：
表4转换矩阵对应姿态角(单位：°)
序号 加入误差前 加入误差后 标定误差
俯仰 -0.386 0.786 0.172
滚动 -2.949 -1.903 0.046
航向 -16.944 -15.84 0.104
对比上表中标定结果可知，人为加入的1°安装误差可被准确估计，证明本发明所述的安装误差标定技术具有很高精度。
虽然通过上述实施例对本发明所述的一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法进行了详细的说明，但是上述说明并不是对本发明的限定，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种变形和变更，例如，最优化的方法可以在现有技术的各种方法中选择。

Claims (2)

1.一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，定义坐标系：
a)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质心上；
b)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；
c)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；
d)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，xayaza构成右手坐标系；
然后，进行误差标定，包括如下步骤：
步骤1、惯导/DVL安装误差标定；
首先，沿着指定的第一航段、GPS速度、DVL速度采集，然后，将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度；利用两次采集的数据计算DVL坐标系至载体系转换矩阵；
步骤2、惯导/USBL安装误差标定；
首先，沿指定的第一环形航迹绕USBL水下应答器航行，并且采集GPS位置、USBL定位数据，然后，船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹，绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据；利用两次采集的数据计算USBL基阵坐标系至载体系转换矩阵。
2.如权利要求1所述的一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其特征在于，
在步骤1中，将GPS速度Vn投影至载体系b：
其中为惯导解算姿态阵；
载体系至DVL坐标系转换矩阵则DVL速度和GPS速度在载体系投影有如下关系：
惯导与DVL刚性固定连接，二者相对位置关系不变，待求量是常值矩阵；
沿指定的第一航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值
其中：
k为离散时间点；
n为速度采样总数；
将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值
其中：
k为离散时间点；
m为速度采样总数；
式(3)、(4)速度均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和is，js，ks：
则DVL坐标系至载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了DVL安装误差；
在步骤2中，设USBL应答器在基阵内的相对位置测量值为La，基阵坐标系中心和应答器的大地坐标分别为P、Pt，为惯导解算姿态阵，为基阵坐标系到载体系的转换矩阵，由于惯导与USBL基阵固联，为常值矩阵；根据以上条件可以计算应答器相对基阵中心的位置增量：
ΔP＝Pt-P (9)
将位置增量转换为导航系n内的距离Ln：
其中L为当地纬度；
RM为子午圈曲率半径；
RN卯酉圈曲率半径；
通过位置增量计算得出的距离相对地球半径很小，对上述距离作圆弧—直线近似，则Ln可认为是应答器在当地地理坐标系内的坐标，该坐标与应答器在基阵坐标系内的坐标有如下关系：
进而
其中Lb是应答器在载体系b内坐标；
船载GPS可提供精确的位置测量，补偿掉USBL相对GPS的杆臂位置后可作为USBL安装误差标定的位置基准；
沿指定的第一环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值
其中：
k为离散时间点；
n为位置采样总数；
船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值
其中：
k为离散时间点；
m为位置采样总数；
式(13)、(14)位置均值满足如下关系：
构造单位矢量ib，jb，kb和ia，ja，ka：
则基阵坐标系到载体系转换矩阵可按下式计算：
如此，得到了USBL基阵安装误差。
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