CN108413983A - 一种sins/usbl一体化定位系统安装误差标定的机械方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、构建SINS/USBL一体化定位系统结构；步骤2、利用三坐标测量仪对步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统结构的4个球形换能器与SINS坐标系进行标定；步骤3、计算非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的安装误差角的标定结果；步骤4、对步骤3计算得出的非正交的基阵坐标系安装误差角的标定结果进行补偿，计算得出应答器在地理坐标系中的坐标。本发明提高了标定精度且节约了产品的交付及使用成本，方便用户使用。

Description

一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法

技术领域

本发明属于惯性导航与水声定位技术领域，涉及SINS/USBL一体化定位 系统，尤其是一种SINS(捷联惯性导航系统)/USBL(超短基线)一体化定位 系统安装误差标定的机械方法。

背景技术

USBL系统一般安装在船体上，工作时需要实时提供船体的航向角、横 摇角和纵摇角以及USBL基阵的绝对位置信息，这些数据通常来自于罗经以 及卫星导航接收机。USBL在船上安装完初次使用前，需要对USBL与罗经 设备间安装误差角进行精确的测量和补偿，一般通过安装USBL设备的水面 船在海上使用统计学标定方法实现。标定前先在海底投放水声应答器(或信 标)作为位置基准，投放完成后水面船绕位置基准做规定航迹航行(如图1所示)，USBL实时对水声应答器进行测距及相对定位，同时接收GNSS的 定位信息，绕行一圈为一个标定航次。每个航次标定完成后使用最小二乘距 离交汇法估计应答器的位置。应答器位置估计完成后，根据已知的应答器位 置和GNSS测得的USBL基阵位置以及基阵对应答器的定位信息估计三个安装 误差角完成标定。传统标定过程，需要先在海底布设信标或应答器，安装USBL 定位系统(包括配套的航姿设备及GNSS设备)的水面船绕信标或应答器执行 一定的航路，标定过程费时费力，经济成本高。这样的标定方法耗费时间长， 经济成本较高，用户使用不方便，而且如果USBL设备和航姿设备更换或者重 新安装，就要重新进行标定程序。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、标定精度 高且用户成本低的SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，包括以下步 骤：

步骤1、构建SINS/USBL一体化定位系统结构，将基阵坐标系内两两相 对的4个球形换能器的几何中心与SINS坐标系映射至实体结构之中，用于测 量SINS坐标系与实际USBL基阵坐标系之间的失准角；

步骤2、利用三坐标测量仪对步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统 结构的4个球形换能器与SINS坐标系进行标定；

步骤3、计算非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之 间的安装误差角的标定结果；

步骤4、对步骤3计算得出的非正交的基阵坐标系安装误差角的标定结 果进行补偿，计算得出应答器在地理坐标系中的坐标；

而且，所述步骤1的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构为：基阵结构 底部安装有4个球形换能器，该4个球形换能器两两对称设置，该两两对称 设置的球形换能器的球心中心连线AC与BD构成了基阵坐标系两个水平轴； 该4个球形换能器使用螺母固定安装在圆环结构上并保持相互间尺寸的稳定 性，该圆环结构通过4根钛合金的连杆与SINS的水平基准面固装在一起，该 SINS水平基准面上方安装有两个圆柱形限位销E,F，其内侧靠面构成了SINS 方位基准面，该SINS方位基准面与SINS水平基准面相垂直，方位基准面的 法线方向代表了SINS的航向基准。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)标定前将步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构反向固 定在三坐标测量仪台面上，使四个接收换能器阵元向上，SINS的水平基准面 向下并与三坐标测量仪工作台的安装面固定好；

(2)以SINS/USBL一体化定位系统基阵结构的SINS水平基准面和SINS 方位基准面为坐标基准，使用三坐标测量仪测量4个球型换能器A、B、C、D 的三维坐标分别为(x_i y_iz_i)，其中，i＝(A，B，C，D)。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的 变换关系公式为：

其中，B_Align：非正交系(基阵系)与正交系(SINS坐标系)之间的 姿态变换矩阵；θ_zx，θ_yx，θ_zy，θ_xy，θ_xz，θ_yz:非正交系三个轴投影至正交系 的六个安装误差角；

(2)非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的安 装误差角的标定结果的计算公式为：

其中：

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)；

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)；

而且，所述步骤4的具体方法为：

设水下目标所携带的信标在基阵坐标系中的位置为x_Beacon，船体坐标系向 大地坐标系转换的方向余弦矩阵为R_U，非正交系(基阵系)与正交系(SINS 坐标系)之间的姿态变换矩阵B_Align，基阵处位置为x_GNSS，则应答器在地理坐标 系中的坐标x_Earth为：

x_Earth＝x_GNSS+R_UB_Alignx_Beacon

其中：

x_GNSS由安装在船上的卫导系统提供，经过了卫导天线与基阵之间的杆 臂误差补偿；

H：舰船航向角；Ψ：舰船纵摇角；θ：舰船横摇角；

B_Align：；事先标定并由非正交系X_aY_aZ_a与正交系X_bY_bZ_b之间的变换关系公式求得；

x_Beacon：由USBL测量得到。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的SINS/USBL一体化定位系统将航姿设备(SINS)和USBL集 成在一个结构体内，加工装配完成后SINS和USBL二者之间的安装误差关系 就已经确定。本发明根据SINS坐标系和USBL基阵坐标系(如图2所示)二 者的定义及机械结构上的对应关系，在使用球形换能器的声基阵装配完成后 采用三坐标测量仪测量非正交USBL基阵坐标系与正交SINS坐标系的角度偏 差，可在交付客户前完成对SINS/USBL一体化定位系统安装误差的机械标定， 节约了用户成本，方便了用户使用，即使重复拆装也无需重复标定。

2、本发明的一体化USBL定位系统将惯性设备和水声定位设备集成设 计，具备了在客户使用前标定二者之间安装误差角的可能。按本发明的方法 步骤2使用三坐标测量仪进行安装误差角的标定，可省略USBL调试过程中阵 元非正交误差水池校正及实船安装误差标定环节，且由于采用高精度机械测 量设备，标定精度明显提高，最终达到节约制造成本，提高整个系统的定位 精度的目的。

3、本发明基于机械标定的一体化USBL定位系统安装误差标定方法在整 个系统装配完成后即可进行标定，提高了标定精度，节约了产品的交付及使 用成本，方便用户使用，具有推广价值。

附图说明

图1是本发明的背景技术中传统方法USBL与SINS安装误差标定过程示 意图；

图2是本发明的背景技术中球形换能器组成的基阵坐标轴示意图；

图3是本发明的基阵结构示意图；

图4是本发明的基阵安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

在USBL定位原理方案中，将构成基阵坐标系的4个阵元简化为质点，而 实际上4个阵元是有一定的尺寸及形状的非质点，从平面波假设推导而来的 基阵系下的水声定位解算公式为：

式中：x——水下目标在基阵系下的x坐标

y——水下目标在基阵系下的y坐标

_c——水中声速

τ_x——x轴两阵元接收信号时延差

τ_y——y轴两阵元接收信号时延差

L——阵元间距

R——水下目标与基阵之间的距离

上两式中的阵元间距L为两阵元(质点)间的距离，如图2所示，由球形 换能器组成的基阵坐标系，坐标轴为相对的两个球形换能器的中心点，基阵 坐标系的建立是机械标定的理论基础。当两个球形换能器形状尺寸完全一致 且没有误差时，L即为两个球形换能器几何中心之间的距离。

θ_m：水声信号入射角

这样就可将基阵坐标系简化为两阵元几何中心的连线，为安装误差的机 械标定奠定基础。

一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，包括以下步 骤：

步骤1、构建如图3所示的SINS/USBL一体化定位系统结构，将基阵坐 标系内两两相对的4个球形换能器的几何中心与SINS坐标系映射至实体结构 之中，用于测量SINS坐标系与实际USBL基阵坐标系之间的失准角；

在本实施例中，设计基阵结构时，将基阵坐标系内两两相对设置的球形 换能器(即图3中的球形接收换能器阵元)的几何中心与SINS坐标系映射至 实体结构之中，是实现机械标定的现实基础。

步骤1的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构如图3所示，基阵结构底 部安装有4个球形换能器，该4个球形换能器两两对称设置，该两两对称设 置的球形换能器的球心中心连线AC与BD构成了基阵坐标系两个水平轴；该 4个球形换能器使用螺母固定安装在圆环结构(即圆环状底盘)上并保持相 互间尺寸的稳定性，该圆环结构通过4根钛合金的连杆与SINS的水平基准面 固装在一起，该SINS水平基准面上方安装有两个圆柱形限位销E,F，其内侧 靠面构成了SINS方位基准面，该SINS方位基准面与SINS水平基准面相垂直， 方位基准面的法线方向代表了SINS的航向基准。

机械标定的目标就是装配完成之后测量出SINS坐标系与实际USBL基阵 坐标系之间的失准角。

步骤2、利用三坐标测量仪对步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统 结构的4个球形换能器与SINS坐标系进行标定；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)标定前将步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构反向固 定在三坐标测量仪台面上，如图4所示，将基阵反向安装在三坐标测量仪上， 四个接收换能器阵元向上，SINS的水平基准面向下并与三坐标测量仪工作台 的安装面固定好；

(2)以SINS/USBL一体化定位系统基阵结构的SINS水平基准面和SINS 方位基准面为坐标基准，使用三坐标测量仪测量4个球型换能器A、B、C、D 的三维坐标分别为(x_i y_iz_i)，其中，i＝(A，B，C，D)

步骤3、计算非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之 间的安装误差角的标定结果；

理论上的基阵系两个坐标轴正交，但实际优于制造误差及装配误差等原 因导致实际的基阵坐标系X_aY_aZ_a呈非正交性，因此需要在机械标定后计算出 非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的安装误差角， 并对非正交安装误差进行补偿。

非正交的基阵坐标系的三个坐标轴与正交的SINS坐标系三个坐标轴之 间的空间关系一般使用六个安装误差角来表示；

非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的变换关 系为：

其中，B_Align：非正交系(基阵系)与正交系(SINS坐标系)之间的 姿态变换矩阵；θ_zx，θ_yx，θ_zy，θ_xy，θ_xz，θ_yz:非正交系三个轴投影至正交系 的六个安装误差角；

由于基阵坐标系为平面坐标系，故上面三组六个安装误差角当中的 θ_zx，θ_zy为0，其余4个参数可通过机械标定获得；所测得的4个球形换能 器球心A、B、C、D坐标在三坐标测量仪坐标系OXYZ中的位置。

设XOY面与SINS水平基准面平行(通过安装保证)，OY与SINS方位基 准面的法线方向平行，O为三坐标测量仪的坐标原点，XYZ构成右手坐标系， E、F、G、H分别为A、B、C、D在OXY面上的投影，三坐标测量仪测得的4 个球形换能器几何中型(A、B、C、D)的三维坐标分别为(x_i y_i z_i),i＝(A， B，C，D),则有公式(4)-公式(7)：

其中：

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)；

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)；

步骤4、对步骤3计算得出的非正交的基阵坐标系安装误差角的标定结 果进行补偿，计算得出应答器在地理坐标系中的坐标；

在本实施例中，所述步骤4的具体方法为：

设水下目标所携带的信标(或应答器)在基阵坐标系中的位置为x_Beacon， 这是USBL系统能够直接测得的值，船体坐标系向大地坐标系转换的方向余弦 矩阵为R_U，非正交系(基阵系)与正交系(SINS坐标系)之间的姿态变换矩 阵为B_Align，基阵处位置为x_GNSS，则应答器在地理坐标系中的坐标x_Earth为：

x_Earth＝x_GNSS+R_UB_Alignx_Beacon

其中：

x_GNSS由安装在船上的卫导系统提供，经过了卫导天线与基阵之间的杆 臂误差补偿；

H：舰船航向角；Ψ：舰船纵摇角；θ：舰船横摇角

B_Align由本方法事先标定并由(3)式求的，预先装订进入一体化USBL 定位系统。

x_Beacon：由USBL测量得到。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因 此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人 员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、构建SINS/USBL一体化定位系统结构，将基阵坐标系内两两相对的4个球形换能器的几何中心与SINS坐标系映射至实体结构之中，用于测量SINS坐标系与实际USBL基阵坐标系之间的失准角；

步骤2、利用三坐标测量仪对步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统结构的4个球形换能器与SINS坐标系进行标定；

步骤3、计算非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的安装误差角的标定结果；

步骤4、对步骤3计算得出的非正交的基阵坐标系安装误差角的标定结果进行补偿，计算得出应答器在地理坐标系中的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其特征在于：所述步骤1的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构为：基阵结构底部安装有4个球形换能器，该4个球形换能器两两对称设置，该两两对称设置的球形换能器的球心中心连线AC与BD构成了基阵坐标系两个水平轴；该4个球形换能器使用螺母固定安装在圆环结构上并保持相互间尺寸的稳定性，该圆环结构通过4根钛合金的连杆与SINS的水平基准面固装在一起，该SINS水平基准面上方安装有两个圆柱形限位销E,F，其内侧靠面构成了SINS方位基准面，该SINS方位基准面与SINS水平基准面相垂直，方位基准面的法线方向代表了SINS的航向基准。

3.根据权利要求2所述的一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)标定前将步骤1构建的SINS/USBL一体化定位系统基阵结构反向固定在三坐标测量仪台面上，使四个接收换能器阵元向上，SINS的水平基准面向下并与三坐标测量仪工作台的安装面固定好；

(2)以SINS/USBL一体化定位系统基阵结构的SINS水平基准面和SINS方位基准面为坐标基准，使用三坐标测量仪测量4个球型换能器A、B、C、D的三维坐标分别为(x_i y_i z_i)，其中，i＝(A，B，C，D)。

4.根据权利要求1或2所述的一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：

(1)非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的变换关系公式为：

其中，B_Align：非正交系(基阵系)与正交系(SINS坐标系)之间的姿态变换矩阵；θ_zx，θ_yx，θ_zy，θ_xy，θ_xz，θ_yz:非正交系三个轴投影至正交系的六个安装误差角；

(2)非正交的基阵坐标系X_aY_aZ_a与正交的SINS坐标系X_bY_bZ_b之间的安装误差角的标定结果的计算公式为：

其中：

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)；

L_AC：A阵元和C阵元之间的间距(几何中心距离)。

5.根据权利要求1或2所述的一种SINS/USBL一体化定位系统安装误差标定的机械方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

设水下目标所携带的信标在基阵坐标系中的位置为x_Beacon，船体坐标系向大地坐标系转换的方向余弦矩阵为R_U，非正交系(基阵系)与正交系(SINS坐标系)之间的姿态变换矩阵为B_Align，基阵处位置为x_GNSS，则应答器在地理坐标系中的坐标x_Earth为：

x_Earth＝x_GNSS+R_UB_Align x_Beacon

其中：

x_GNSS由安装在船上的卫导系统提供，经过了卫导天线与基阵之间的杆臂误差补偿；

H：舰船航向角；Ψ：舰船纵摇角；θ：舰船横摇角；

B_Align：；事先标定并由非正交系X_aY_aZ_a与正交系X_bY_bZ_b之间的变换关系公式求得；

x_Beacon：由USBL测量得到。