CN107747951A - 全域磁罗盘航向误差修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全域磁罗盘航向误差修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法，属于水下无人自主航行器导航技术领域，其中全域磁罗盘航向误差修正方法包括：获取磁罗盘提供的当前时刻的航向和水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角；根据当前时刻的航向计算获得硬磁场干扰产生的磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差；获取软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差；根据磁罗盘圆周误差、磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差计算获得磁罗盘误差；将当前时刻的磁罗盘误差反馈给当前时刻的航向，结合磁偏角对磁罗盘航向进行修正计算获得修正后的当前时刻的航向。本发明具有成本低、易操作、适用范围广的优点，提高了导航误差修正结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及水下无人自主航行器导航技术领域，具体涉及一种全域磁罗盘航向误差修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法。
背景技术
AUV（Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器）是一种可以自主地完成水下探测、攻击、运载、打捞等多种特定作业任务的水下航器，要求其在水下具有长期自主的定位导航和返航能力，并具有隐蔽性。为了保证其顺利解决水下作业，对AUV提出了更高的导航精度要求。水下无人自主航行器导航误差大小直接影响其导航精度，以往以航位推算为导航算法的水下无人自主航行器主要通过单方面更换更高精度的磁罗盘和速度传感器；或者单方面更换复杂的导航滤波算法、改进导航计算模型，或者单方面对磁罗盘航向信息进行滤波来完成导航误差修正。
随着水下无人自主航行器的发展，更换更高精度的姿态及速度传感器的方法难以满足人们对成本控制的要求；更换复杂的导航滤波算法很难有效的提高导航精度，在可靠性及适用性大打折扣；单方面对磁罗盘航向信息进行滤波不能从根本上解决航向信息失真的问题。
因此导航误差修正需要从传感器信息根源着手，形成一套完整的修正方法，同时应考虑修正方法的可靠性、易用性及修正效果，才能最终达到有效提高导航精度的目的。
发明内容
因此，为了克服现有技术中的上述缺陷，从而提供一种全域磁罗盘航向误差修正方法及水下自主航行器导航误差修正方法。
为此，本发明实施例的一种全域磁罗盘航向误差修正方法，包括以下步骤：
获取磁罗盘提供的当前时刻的航向和水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角；
根据所述当前时刻的航向计算获得硬磁场干扰产生的磁罗盘半圆周误差；
根据所述当前时刻的航向计算获得磁罗盘象限误差；
获取软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差；
根据所述磁罗盘圆周误差、磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差计算获得当前时刻的磁罗盘误差；
将所述当前时刻的磁罗盘误差反馈给磁罗盘提供的当前时刻的航向，结合所述磁偏角对磁罗盘航向进行修正计算，获得修正后的当前时刻的航向。
优选地，获取水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角的步骤包括：
根据全球坐标经纬度及磁偏角变化的规律，以经纬度为预设角度值的S×S方格编制数据单元表，根据方格中央位置上的磁偏角基值、磁偏角在方格内经度方向上及纬度方向上的变化率及磁偏角的月变化率确定数据单元表的内容，根据水下无人自主航行器工作区域的经纬度及日期查数据单元表获取磁偏角，其中S为自然数。
优选地，所述磁罗盘半圆周误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘半圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
优选地，所述磁罗盘象限误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘象限误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
优选地，所述当前时刻的磁罗盘误差的计算公式为：
其中，为当前时刻的磁罗盘误差，为软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，、、和为补偿系数。
优选地，所述对磁罗盘航向进行修正计算的公式为：
其中，为修正后的当前时刻的航向，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，为当前时刻的磁罗盘误差，为磁偏角。
优选地，还包括：
对所述修正后的当前时刻的航向进行滤波平滑，获得滤波平滑后的下一时刻的航向。
优选地，所述滤波平滑的计算公式为：
其中，为滤波平滑后的下一时刻的航向，为修正后的当前时刻的航向，为修正后的下一时刻的航向，和为滤波系数，。
本发明实施例的一种水下自主航行器导航误差修正方法，包括以下步骤：
采用上述的磁罗盘航向误差修正方法，获得航向；
将所述航向引入航位推算，获得经纬度值。
本发明实施例的技术方案，具有如下优点：
1.提高导航误差修正结果的可靠性。在导航算法输入传感器信息之前，先对磁罗盘信息进行磁场补偿、安装误差角修正、磁偏角修正，再对航向信息进行输出平滑滤波处理之后才输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。
2.传感器信息滤波算法结构更简单、易实现、实用性强。在保证滤波效果的基础上，采用滤波对传感器输出信息进行输出滤波平滑，与目前现有技术中采用的五点二次方法、卡尔曼滤波算法、53H算法、基于数据变化率的平滑算法等算法，滤波结构更简单、参数调节更易操作、工程应用更广的优点。
3.成本低、易操作、适用范围广。通过修正导航误差的算法提高导航精度，没有增加硬件成本，间接降低了提高导航精度的成本。整套方法简便易操作，适用于不同型号的磁罗盘。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中全域磁罗盘航向误差修正方法的一个具体示例的流程图；
图2为未对航向信息做任何处理的推算位置与GPS位置对比图；
图3为对航向信息采用滤波平滑前后航向信息对比图；
图4为对磁罗盘进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正后推算位置与GPS位置对比图；
图5为采用本发明实施例2中水下自主航行器导航误差修正方法的推算位置与GPS位置对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种全域磁罗盘航向误差修正方法，适用于水下无人自主航行器工作区域位置发生较大变化时，即全域范围内均可适用，如图1所示，包括以下步骤：
S1、获取磁罗盘提供的当前时刻的航向和水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角；
S2、根据当前时刻的航向计算获得硬磁场干扰产生的磁罗盘半圆周误差；
S3、根据当前时刻的航向计算获得磁罗盘象限误差；
S4、获取软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差；
S5、根据磁罗盘圆周误差、磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差计算获得当前时刻的磁罗盘误差；
S6、将当前时刻的磁罗盘误差反馈给磁罗盘提供的当前时刻的航向，结合所述磁偏角对磁罗盘航向进行修正计算，获得修正后的当前时刻的航向。
上述磁罗盘航向误差修正方法，通过根据磁罗盘圆周误差、磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差计算获得当前时刻的磁罗盘误差，提高了磁罗盘误差的计算精度，从而提高了磁罗盘航向的修正精度。
优选地，步骤S1中，获取水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角的步骤包括：
根据全球坐标经纬度及磁偏角变化的规律，以经纬度为预设角度值（如1°-3°，优选2°）的S×S方格编制数据单元表，根据方格中央位置上的磁偏角基值、磁偏角在方格内经度方向上及纬度方向上的变化率及磁偏角的月变化率确定数据单元表的内容，根据水下无人自主航行器工作区域的经纬度及日期查数据单元表获取磁偏角，其中S为自然数，例如S=2。
优选地，步骤S2中，磁罗盘半圆周误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘半圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
优选地，步骤S3中，磁罗盘象限误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘象限误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
优选地，步骤S5中，当前时刻的磁罗盘误差的计算公式为：
其中，为当前时刻的磁罗盘误差，为软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，、、和为补偿系数。
计算、、、和的步骤包括：
将磁罗盘固定在水下无人自主航行器上，在水平方向上匀速转动航行器，取45°角等间隔的八个试验点进行误差测试，获取八组试验数据；
根据最小二乘法求取补偿系数、、、和。
优选地，步骤S6中，对磁罗盘航向进行修正计算的公式为：
其中，为修正后的当前时刻的航向，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，为当前时刻的磁罗盘误差，为磁偏角。
优选地，磁罗盘航向误差修正方法还包括以下步骤：
S7、对修正后的当前时刻的航向进行滤波平滑，获得滤波平滑后的下一时刻的航向。
优选地，步骤S7中，滤波平滑的计算公式为：
其中，为滤波平滑后的下一时刻的航向，为修正后的当前时刻的航向，为修正后的下一时刻的航向，和为滤波系数，。
上述磁罗盘航向误差修正方法，在保证滤波效果的基础上，采用滤波对传感器输出信息进行输出滤波平滑，与目前现有技术中采用的五点二次方法、卡尔曼滤波算法、53H算法、基于数据变化率的平滑算法等算法，滤波结构更简单、参数调节更易操作、工程应用更广的优点。
实施例2
本施例提供一种水下自主航行器导航误差修正方法，在水下无人自主航行器将航向信息引入航位推算算法之前，先对磁罗盘进行磁场补偿、磁偏角修正及安装误差角修正，再将修正的航向信息经过滤波平滑之后引入航位推算，具体包括以下步骤：
S2-1、采用实施例1的全域磁罗盘航向误差修正方法，获得航向；
S2-2、将航向引入航位推算，获得经纬度值。其中，所涉及的水下无人自主航行器航向角方向定义北偏西为正，范围0°~360°。
优选地，步骤S2-2中，经纬度值的计算公式为：
其中，
、分别为当前时刻的经纬度值，、为初始点的经纬度值，为实施例1中获得的航向，即或，、分别为DVL（多普勒测速仪）输出的前向速度与侧向速度信息，、分别为水下无人自主航行器的在地球坐标系中的东向速度和北向速度，为航位推算的单位周期，、分别为当前时刻子午椭圆和纬线圈曲率。
上述水下自主航行器导航误差修正方法，在导航算法输入传感器信息之前，先对磁罗盘信息进行磁场补偿、安装误差角修正、磁偏角修正，再对航向信息进行输出平滑滤波处理之后才输出给导航算法；对导航算法的信息来源到信息输出逐步进行修正，保证了导航算法输入的可靠性，从根源上逐步减小导航误差。通过修正导航误差的算法提高导航精度，没有增加硬件成本，间接降低了提高导航精度的成本。整套方法简便易操作，适用于不同型号的磁罗盘。
图2、图4、图5是以GPS速度为前向速度的航位推算位置与GPS位置信息对比数据回放，A为GPS位置，B为磁罗盘航位推算位置。图2磁罗盘航向信息为原始数据，导航精度为航程的6.89%；图4对磁罗盘航向信息进行了磁场补偿、安装误差角(1.8°)及磁偏角(-2.9°)修正，导航精度为航程的3.57%；图5除了对磁罗盘航向信息进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正外，还做了(=0.9)滤波平滑处理，导航精度为航程的2.33%。由此可知对磁罗盘航向信息进行磁场补偿、安装误差角及磁偏角修正并进行滤波平滑处理后可获取更高的导航精度。图3为滤波平滑前后航向信息对比，可见平滑后航向角输出稳定、毛刺小、无野值。
综上所述，从水下无人自主航行器导航策略的信息来源到信息输出逐步进行修正，从根源上逐步减小导航误差，提高了导航误差修正结果的可靠性，其次采用的滤波在航向信息平滑方面具有算法结构简便、实用性强、适用的磁罗盘种类多、滤波效果好等特点，进一步提高了导航误差修正方法的易用性与修正效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种全域磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取磁罗盘提供的当前时刻的航向和水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角；
根据所述当前时刻的航向计算获得硬磁场干扰产生的磁罗盘半圆周误差；
根据所述当前时刻的航向计算获得磁罗盘象限误差；
获取软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差；
根据所述磁罗盘圆周误差、磁罗盘半圆周误差和磁罗盘象限误差计算获得当前时刻的磁罗盘误差；
将所述当前时刻的磁罗盘误差反馈给磁罗盘提供的当前时刻的航向，结合所述磁偏角对磁罗盘航向进行修正计算，获得修正后的当前时刻的航向。
2.根据权利要求1所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，获取水下无人自主航行器工作区域位置的磁偏角的步骤包括：
根据全球坐标经纬度及磁偏角变化的规律，以经纬度为预设角度值的S×S方格编制数据单元表，根据方格中央位置上的磁偏角基值、磁偏角在方格内经度方向上及纬度方向上的变化率及磁偏角的月变化率确定数据单元表的内容，根据水下无人自主航行器工作区域的经纬度及日期查数据单元表获取磁偏角，其中S为自然数。
3.根据权利要求1或2所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，所述磁罗盘半圆周误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘半圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
4.根据权利要求1-3任一项所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，所述磁罗盘象限误差的计算公式为：
其中，为磁罗盘象限误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，和为补偿系数。
5.根据权利要求1-4任一项所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，所述当前时刻的磁罗盘误差的计算公式为：
其中，为当前时刻的磁罗盘误差，为软磁场干扰及安装误差产生的磁罗盘圆周误差，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，、、和为补偿系数。
6.根据权利要求1-5任一项所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，所述对磁罗盘航向进行修正计算的公式为：
其中，为修正后的当前时刻的航向，为磁罗盘提供的当前时刻的航向，为当前时刻的磁罗盘误差，为磁偏角。
7.根据权利要求1-6任一项所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，还包括：
对所述修正后的当前时刻的航向进行滤波平滑，获得滤波平滑后的下一时刻的航向。
8.根据权利要求7所述的磁罗盘航向误差修正方法，其特征在于，所述滤波平滑的计算公式为：
其中，为滤波平滑后的下一时刻的航向，为修正后的当前时刻的航向，为修正后的下一时刻的航向，和为滤波系数，。
9.一种水下自主航行器导航误差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用如权利要求1-8任一项所述的磁罗盘航向误差修正方法，获得航向；
将所述航向引入航位推算，获得经纬度值。
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