CN108871379A - 一种dvl测速误差在线标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明对DVL的测速误差进行了更为准确的建模，提出一种DVL测速误差在线标定方法，将运载体的起始点作为“第一个点”，使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，运行一段时间后上浮至水面，接收GNSS信号获得位置信息，将第一次上浮的点作为“第二个点”，记录“第一个点”至“第二个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移；然后再一次使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，将第二次上浮的点作为“第三个点”，记录“第二个点”至“第三个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移，将两次所述位移带入标定方程组得到全部待标定测速误差项，从而完成标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种DVL测速误差在线标定方法，属于惯性导航系统领域。
背景技术
高精度的水下导航仍是所有水下平台所面临的重大挑战。由于不需要先验知识和实时的外部信息，因此惯性导航系统(INS)/多普勒计程仪(DVL)组合导航是最具发展潜力的水下导航方法之一。INS可以独立地提供所有导航信息：姿态、速度和位置。它虽然短时精度高，但误差会随着时间而累积。对于INS/DVL组合导航系统，DVL可以提供精确的速度量测，因此INS误差会得到很好地抑制，导航定位精度有了很大程度地提升。
DVL的测速精度是影响SINS/DVL组合导航系统精度的决定性因素之一，DVL的测速误差主要由三部分组成：刻度因数误差、安装误差角和常值误差。DVL测速误差标定问题引起了国内外众多学者的广泛关注，最早的标定方法只考虑了一个自由度，即只考虑航向安装偏差角。一种基于最小二乘法的船载DVL航向安装误差角的估计方法被提出，该方法以全球卫星导航系统(GNSS)提供的速度信息作为外参考来估计安装误差角。随后，安装误差角标定被扩展到了3个自由度，即除了航向安装偏差角之外，还估计了水平安装误差角。但是这些标定方法需要额外的传感器提供精确的位置和速度信息，例如GNSS或者长基线导航系统(LBL)。这就要求航行器在在水面接收GNSS信号或者利用附近的发射基站以获取准确的位置信息，因此，该标定方法应用条件较为苛刻，在实际使用中受到了一定的限制。有学者提出了一种GNSS辅助下的基于Kalman滤波的标定方法，该方法要求运载体在一段时间内连续接收GNSS信号，不利于运载体在执行任务时保持其隐蔽性。同时由于运载体没有横向速度，因此该方法常常会导致横滚安装误差角无法标定。为了解决上述问题，有学者提出了一种基于回溯的多普勒测速误差标定方法，该方法只需上浮一次就可以实现安装误差角和刻度因数的标定。但该方法仅仅能标定出航向安装误差角和刻度因数，无法标定出水平安装误差角和常值误差，这导致SINS/DVL组合导航系统的定位精度受到一定程度的限制。
发明内容
本发明对DVL的测速误差进行了更为准确的建模，提出一种DVL测速误差在线标定方法，仅需要运载体上浮两次接收GNSS信息即可实现，实现了对除横滚安装误差角之外的全部DVL测速误差项的标定，在执行任务中尽可能的保持了运载体的隐蔽性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种DVL测速误差在线标定方法，将运载体的起始点作为“第一个点”，使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，运行一段时间后上浮至水面，接收GNSS信号获得位置信息，将第一次上浮的点作为“第二个点”，记录“第一个点”至“第二个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移；然后再一次使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，将第二次上浮的点作为“第三个点”，记录“第二个点”至“第三个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移，将两次所述位移带入标定方程组得到全部待标定测速误差项，从而完成标定。
进一步地，所述标定方程组采用以下形式：
其中，为GNSS获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的真实位移，和为SINS/DVL组合导航系统获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的带有误差的位移，δsD为刻度因数误差，ex,ez为俯仰安装误差角和航向安装误差角，δbE,δbN,δbU为DVL常值误差在导航系n下的表示，ψ为航向角，Δt1和Δt2为运载体在两段轨迹下的航行时间，并且
将DVL常值误差在导航系下的表示变换至DVL仪器系d下，变换公式如下：
其中，为DVL常值误差在DVL仪器系d下的表示，δbE,δbN,δbU为DVL常值误差在导航系n下的表示。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明对DVL测速误差进行了更为准确地建模(安装误差角、刻度因数和常值误差)，提出了一种三点在线标定方法，此方法仅需要运载体上浮两次接收GNSS信号，即可实现除横滚安装误差角之外的全标定。仿真结果表明，DVL的测速误差可实现有效地标定，并且经过补偿之后的组合导航系统的导航定位精度有了明显的提高。
2、本发明中的标定方程是根据所建立的DVL测速误差模型推导得来的，可以实现除横滚安装误差角之外的其余所有测速误差项的标定。现有技术的标定方程仅仅只考虑了刻度因数误差和安装误差角，没有考虑常值误差，因此本发明可以通过最少的上浮次数实现最多的测速误差项的标定。
附图说明
图1是本发明DVL测速误差在线标定方法流程图；
图2是本发明中三点式在线标定方案运动轨迹示意图。
具体实施方式
本发明无需水下运载体长时间运行在水面或近水面处，只需要水下运载体上浮两次接收GNSS信号即可完成标定。运载体在运行过程中一直采用SINS/DVL组合导航，从而可以获得带有误差的位置信息。运载体上浮两次接收GNSS信号，获得准确的位置信息。
如图1所示，本发明将运载体的起始点作为三点式在线标定方法的“第一个点”，随后让运载体以恒定姿态做下潜运动，下潜深度可由DVL自带的压力传感器进行量测，由深度量测值即可计算得到运载体的下潜速度。下潜一段时间之后运载体以恒定姿态做水平直线运动，运行一段时间之后做减速运动至静止状态，随后进行上浮运动至水面接收GNSS信号以获得准确的位置信息，此即为“第二个点”。然后运载体进行与第一段运行轨迹完全相同的运动方式，即“下潜-水平运动-上浮”，便可获得“第三个点”。
本发明对DVL测速误差进行了更准确的建模，包括刻度因数误差(1个)、安装误差角(3个)和常值误差(3个)，共有7个误差项，可以通过两次上浮实现除横滚安装误差角之外的所有测速误差项的标定，即本方法可以标定出6个误差项。下面的标定方程组中包含了这三种误差，即通过该标定方程便可将待标定误差标定出来。
由于存在DVL测速误差，因此SINS/DVL组合导航系统的定位精度受到一定程度的限制，其获得的位置信息与真实的位置信息之间存在误差。记“第一个点”和“第二个点”之间的轨迹为第一段轨迹，“第二个点”和“第三个点”之间的轨迹为第二段轨迹。设由GNSS获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的真实位移分别为和由SINS/DVL组合导航系统获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的带有误差的位移分别为和随后求解下述方程组即可得到全部待标定测速误差项，从而完成标定。
水下运载体在运行过程中采用的是SINS/DVL组合导航系统，该组合导航系统可以获得运载体在在第二个点和第三个点的位置信息，且此位置信息是带有误差的(第一个点是起始点，精确已知)。根据两点间的位移计算公式即可解算出两段运动轨迹的带有误差的位移。同时运载体在运行过程中需要上浮两次接收GNSS信号，获得第二个点和第三个点的精确的位置信息。根据两点间的位移计算公式即可解算出两段运动轨迹的真实位移。
其中，δsD为刻度因数误差，ex,ez为俯仰安装误差角和航向安装误差角，为DVL常值误差在DVL仪器系d下的表示，δbE,δbN,δbU为DVL常值误差在导航系n下的表示。ψ为航向角，Δt1和Δt2为运载体在两段轨迹下的航行时间，并且
由于上述方程组只求得了DVL常值误差在导航系n下的表示，需要将其变换至DVL仪器系d下，此误差才是我们需要标定的，变换公式如下：
至此，我们便完成了三点式DVL测速误差在线标定，仅仅通过两次上浮便实现了除横滚安装误差角之外的所有DVL测速误差项的标定。
根据上面所描述的具体实施方式，可以得到三点式在线标定方法的标定结果如下表所示。
由上表可以看出，由于三点在线标定方法采用了一些近似，因此标定结果可能存在一定的误差，但总体来说，标定效果较好，实现了除横滚安装误差角外的所有DVL测速误差项的全标定。
Claims (2)
1.一种DVL测速误差在线标定方法，其特征在于，将运载体的起始点作为“第一个点”，使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，运行一段时间后上浮至水面，接收GNSS信号获得位置信息，将第一次上浮的点作为“第二个点”，记录“第一个点”至“第二个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移；然后再一次使运载体以恒定姿态下潜，接着以恒定姿态做水平直线运动，将第二次上浮的点作为“第三个点”，记录“第二个点”至“第三个点”的运动轨迹的真实位移和带有误差的位移，将两次所述位移带入标定方程组得到全部待标定测速误差项，从而完成标定。
2.如权利要求1所述的一种DVL测速误差在线标定方法，其特征在于，进一步地，所述标定方程组采用以下形式：
其中，和为GNSS获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的真实位移，和为SINS/DVL组合导航系统获得的运载体在两段轨迹中沿东向、北向和天向的带有误差的位移，δsD为刻度因数误差，ex,ez为俯仰安装误差角和航向安装误差角，δbE,δbN,δbU为DVL常值误差在导航系n下的表示，ψ为航向角，Δt1和Δt2为运载体在两段轨迹下的航行时间，并且
将DVL常值误差在导航系下的表示变换至DVL仪器系d下，变换公式如下：
其中，为DVL常值误差在DVL仪器系d下的表示，δbE,δbN,δbU为DVL常值误差在导航系n下的表示。
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