CN109443379B - 一种深海潜航器的sins/dvl水下抗晃动对准方法 - Google Patents
一种深海潜航器的sins/dvl水下抗晃动对准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种深海潜航器的SINS(捷联惯导系统)/DVL(多普勒测速仪)水下抗晃动对准方法。本发明的方法为根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立的大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程,将深海潜航器的水下对准过程分为:SINS抗晃动双矢量定姿自对准和SINS/DVL的基于SVD(奇异值)分解的模糊自适应鲁棒CKF(容积卡尔曼滤波)滤波器对准;在保证鲁棒性的基础上,进一步使姿态失准角减小、使得姿态矩阵更为精确,实现深海潜航器的准确定姿。本发明可以克服晃动基座,大失准角条件下的深海潜航器在初始对准时,传统惯导对准算法所导致的定姿速度、精度降低以至于潜航器无法继续正常工作的问题,最终实现深海潜航器的长航时工作。
Description
技术领域:
本发明涉及一种深海潜航器的SINS/DVL水下抗晃动对准方法,属于导航技术领域。
背景技术:
海洋有着丰富的资源和能源。在开发过程中,深海潜航器在诸多方面起着重要作用,如海洋环境的监测、水下目标的识别。而深海潜航器所具有的独特驱动和运动性能,使得其与其他无人水下航行器相比具有较大的性能优势。但大深度、远距离、长时间的水下航行对初始对准的精度要求高。然而水下复杂的洋流涌动环境以及鱼群冲击的可能性,会造成晃动基座,大失准角情况下,深海潜航器的初始对准速度、精度降低,从而使得潜航器惯导水下定位解算的累积误差进一步增大。
因此如何保证深海潜航器的快速精确定姿,成为制约深海潜航器长航时工作的重要因素。
同时由于晃动基座的特殊性,惯导线性误差模型无法保证滤波的精度满足要求,因此考虑采用更为精准的非线性误差模型和非线性滤波器完成水下DVL辅助惯导的精对准过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海潜航器的SINS(捷联惯性导航系统)/DVL(多普勒测速仪)水下抗晃动对准方法,通过SINS抗晃动双矢量定姿自对准(粗对准)和SINS/DVL的基于SVD(奇异值)分解的模糊自适应鲁棒CKF(容积卡尔曼滤波)滤波器对准(精对准) 来保证深海潜航器准确定姿的鲁棒性和快速性,以克服晃动基座,大失准角条件下的深海潜航器在初始对准时,传统惯导对准算法所导致的定姿速度、精度降低以至于潜航器无法继续正常工作的问题,最终实现深海潜航器的长航时工作。
上述的目的通过以下技术方案实现:
一种深海潜航器的SINS/DVL水下抗晃动对准方法,该方法包括如下步骤:
(1)根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立的大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程,将深海潜航器的水下对准过程分为:SINS抗晃动双矢量定姿自对准和SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准;
(2)SINS抗晃动双矢量定姿自对准在选定重力矢量为主参考矢量的前提下,预先对参与姿态解算的矢量作单位正交化处理;
所述的深海潜航器的水下抗晃动对准方法,步骤(1)中所述的根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立的大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程的具体方法是:
选取东北天地理坐标系作为导航坐标系,记为n系,选取SINS/DVL导航系统解算的导航坐标系作为导航计算坐标系为n′系,选取潜航器舱体的右前上坐标系作为载体坐标系,记为b系,
定义速度和姿态角误差为:
其中,
νn为潜航器的真实速度在n系下的投影,
1)建立SINS非线性误差模型:
SINS速度误差方程:
SINS姿态误差方程:
SINS位置误差方程:
RE为卯酉圈半径,RN为子午圈半径;
2)建立DVL线性误差模型:
其中,刻度因数误差δC用随机常数描述,对地速度误差误差δνd、偏流角误差δΔ用一阶马尔可夫过程描述,τd、τΔ分别为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间,wd、wΔ分别为速度偏移误差和偏流角误差的零均值高斯白噪声;
3)建立精对准滤波方程:由于SINS/DVL组合系统的天向通道发散,因此忽略天向通道状态量,从而选取潜航器的纬度位置误差δL、经度位置误差δλ,潜航器的东向速度误差δνe、北向速度误差δνn,潜航器的欧拉角东向、北向、天向平台误差角分别为陀螺仪传感器的东向、北向、天向常值误差分别为加速度计传感器的东向、北向常值误差分别为δνd为水下DVL导航系统的对地速度误差,δΔ为水下DVL导航系统的偏流角误差,δC为水下DVL导航系统的刻度因数误差,成为15维状态变量:
SINS/DVL非线性滤波状态方程为:
SINS/DVL导航系统的非线性滤波状态方程简记为:
同时,选取SINS解算速度和DVL测量速度之差作为SINS/DVL导航系统的非线性滤波观测变量:
其中,νSINSe、νSINSn分别为捷联惯导系统的导航解算速度νSINS在导航系东向和北向的投影,δνe、δνn分别为捷联惯导系统的导航解算速度误差δν在导航系东向和北向的投影,νde、νdn分别为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度νd在导航系东向和北向的投影,δνde、δνdn分别为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度误差δνd在导航系东向和北向的投影。
SINS/DVL导航系统的非线性滤波量测方程简记为:
Z=h(X,t)+v(t)。
所述的深海潜航器的水下抗晃动对准方法,步骤(1)中所述的SINS抗晃动双矢量定姿自对准,包括以下步骤:
0-t时间段内重力在导航系(n系)积分为:
0-t时间段内重力在载体系(b系)下的积分为:
所述的深海潜航器的水下抗晃动对准方法,步骤(1)中所述的SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准,包括以下步骤:
1)计算基本容积点和相应权值:
式中,m表示容积点总数(m=2num),num为CKF滤波器的状态维数,[1]表示对num维单位向量e=[1,0,..,0]T的全排列和改变元素符号产生的点集;
2)时间更新:
①基于SVD分解计算容积点Xj,k-1
其中,k为滤波时刻,Uj,k-1为k-1时刻SVD分解出的酉阵,sj(j=1,2,..,num)为k-1时刻滤波器输出的最优滤波估计协方差Pk-1|k-1的特征值的平方根,为k-1时刻滤波器输出的最优状态估计;
其中Qk-1为k-1时刻的导航系统过程噪声矩阵;
3)量测更新:
①基于SVD分解计算容积点Xj,k|k-1
②通过根据权利2所述的非线性量测方程计算传播容积点Zj,k
Zj,k=h(Xj,k|k-1,t)
Kk=Pxz,k/Pzz,k
为在晃动基座下,使精对准过程具有一定鲁棒性,基于H∞滤波器的相关原理,对传统 CKF的最优估计协方差进行改写:
其中,γ为H∞次优解的阈值,与滤波器的鲁棒性能有关,H∞次优问题存在解的充分必要条件可由黎卡提不等式(Riccati inequality)给出:
阈值γ模糊自适应算法如下:
γ=η·γa
从新息序列的统计特性的变化入手,构造出了阈值γ的模糊自适应因子η更新式为:
有益效果:
本发明可以克服晃动基座,大失准角条件下的深海潜航器在初始对准时,传统惯导对准算法所导致的定姿速度、精度降低以至于潜航器无法继续正常工作的问题,最终实现深海潜航器的长航时工作。
针对水下复杂的洋流涌动环境以及鱼群冲击潜航器的可能性,会造成潜航器晃动基座,大失准角情况下,深海潜航器的初始对准速度、精度降低,从而使得潜航器惯导水下定位解算的累积误差进一步增大。根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立了大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程,通过SINS抗晃动双矢量定姿自对准和 SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准。在保证水下潜航器导航系统鲁棒性的基础上,进一步使姿态失准角减小、使得姿态矩阵更为精确,实现深海潜航器的准确定姿。
附图说明
图1是本发明实施例的深海潜航器导航系统方案图
图2是本发明实施例的具体水下初始对准流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式,进一步阐明本发明,应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1、2所示,是本发明公开的深海潜航器导航系统方案图和具体水下初始对准流程图。
具体实施步骤如下:
1)在对准之前根据水下复杂环境和SINS、四波束DVL导航系统特点,分析SINS/DVL导航定位原理,再建立大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程。
选取东北天地理坐标系作为导航坐标系(n系),选取SINS/DVL导航系统解算的导航坐标系作为导航计算坐标系为n′系,选取潜航器舱体的右前上坐标系作为载体坐标系(b系)。
定义速度和姿态角误差为:
其中,νn为潜航器的真实速度在n系下的投影、为捷联惯导系统的导航解算速度在n 系下的投影,为速度误差δνn在东北天方向上的分量,为潜航器的真实姿态角在n系下的投影、为捷联惯导系统的导航解算姿态角在n系下的投影为姿态角误差在东北天方向上的分量。
①建立SINS非线性误差模型:
速度误差方程:
姿态误差方程:
位置误差方程:
其中,为实际的加速度计输出。为地球自转角速度,为导航系相对地球系的旋转角速度,为导航系相对惯性系的旋转角速度,为相应的误差量。εb为陀螺仪在载体系下的常值误差,为加速度计在载体系下的常值误差,RN为卯酉圈半径,RE为子午圈半径。分别为导航系与计算系的姿态矩阵以及欧拉角微分系数矩阵的逆矩阵,具体矩阵形式如下:
在四波束DVL詹纳斯(Janus)配置的船舶上。其中四波束詹纳斯配置指的是向船艏、船艉以及左右舷方向分别斜着发射一个声波束,由于四波束的对称性,当深海潜航器的舱体有上下、左右波动(横摇、纵摇)时,能够提高横向、纵向的速度测量精度。
四波束DVL速度测量表达式为:
其中,c为超声波在海水中传播的速度,视为常值。f0为超声波频率,fd13、fd24为纵向 x和横向y的多普勒频移。α为超声波波束倾角。
根据多普勒频移fd13、fd24的可计算出舱体偏流角:
将实际误差项考虑其中后,DVL测速方程为:
其中,νd为水下DVL导航系统的实际对地速度,δνd为水下DVL导航系统的对地速度误差,Kd为水下DVL导航系统未补偿偏流角Δ的航迹向,δΔ为水下DVL导航系统的偏流角误差,δC为水下DVL导航系统的刻度因数误差,为水下DVL导航系统的未方位失准角。
②建立DVL线性误差模型:
其中,刻度因数δC用随机常数描述,误差δνd、δΔ用一阶马尔可夫过程描述,τd、τΔ分别为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间。wd、wΔ为速度偏移误差和偏流角误差的零均值高斯白噪声。误差。
③建立精对准滤波方程。由于SINS/DVL组合系统的天向通道发散,因此忽略天向通道状态量,从而选取潜航器的位置误差δL、δλ,潜航器的速度误差δνe、δνn,潜航器的欧拉角平台误差角陀螺仪传感器的常值误差加速度计传感器的常值误差δνd为水下DVL导航系统的对地速度误差,δΔ为水下DVL导航系统的偏流角误差,δC为水下DVL导航系统的刻度因数误差,成为15维状态变量:
SINS/DVL非线性滤波状态方程为:
SINS/DVL导航系统的非线性滤波状态方程可简记为:
同时,选取SINS解算速度和DVL测量速度之差作为SINS/DVL导航系统的非线性滤波观测变量:
其中,νSINSe、νSINSn为捷联惯导系统的导航解算速度νSINS在导航系东向和北向的投影,δνe、δνn为捷联惯导系统的导航解算速度误差δν在导航系东向和北向的投影,νde、νdn为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度νd在导航系东向和北向的投影,δνde、δνdn为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度误差δνd在导航系东向和北向的投影。
SINS/DVL导航系统的非线性滤波量测方程可简记为:
Z=h(X,t)+v(t)
2)DSP利用接收到的光纤惯导三轴陀螺仪、加速度计信号,进行SINS抗晃动双矢量定姿自对准(粗对准)。
晃动基座下大幅度晃动产生的干扰角速度较大,且光纤陀螺输出的信噪比较小,无法分离陀螺输出中的干扰加速度和地球自转角速度ωie,从而无法通过传统解析粗对准完成姿态矩阵的粗略估计。但是地球自转角速度ωie是一固定值,当舱体姿态在晃动基座下随时间变化时,使得惯性空间内重力矢量g方向的改变能够包含地球北向信息。因此选用不同时刻t1、 t2(0<t1<t2)的两个重力相关矢量(不相互平行)作为参考双矢量,即可以实现晃动基座下t=0时刻姿态矩阵的粗略估计。
0-t时间段内重力在导航系(n系)积分为:
0-t时间段内重力在载体系(b系)下的积分为:
将上式代入重力积分式,得:
3)DSP利用接收到的光纤惯导三轴陀螺仪、加速度计信号,四波束水下多普勒测速仪速度信号,进行SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准(精对准)。
大深度、远距离、长时间的水下航行对初始对准的精度要求非常高,需要利用DVL速度信号辅助惯导,再根据步骤1)建立的非线性误差模型和精对准滤波方程进行基于SVD分解的CKF滤波,完成精对准过程,进一步提高姿态矩阵的精度。基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器过程如下:
①计算基本容积点和相应权值:
式中,m表示容积点总数(m=2num),num为CKF滤波器的状态维数。[1]表示对num维单位向量e=[1,0,..,0]T的全排列和改变元素符号产生的点集。
②时间更新:
a)基于SVD分解计算容积点Xj,k-1
③量测更新
a)基于SVD分解计算容积点Xj,k|k-1
b)通过步骤1)建立的非线性量测方程计算传播容积点Zj,k
Zj,k=h(Xj,k|k-1,t)
Kk=Pxz,k/Pzz,k
为在晃动基座下,使精对准过程具有一定鲁棒性。基于H∞滤波器的相关原理,对传统CKF的最优估计协方差进行改写:
H∞次优问题存在解的充分必要条件可由黎卡提不等式(Riccati inequality)给出:
阈值γ模糊自适应算法如下:
γ=η·γa
在实际系统中,系统不确定性影响会导致观测量的异常,从而引起滤波器的失常。这样的失常会引起新息序列的统计特性的变化。理想情况下CKF的新息协方差阵为 Vk=N(0,Pxz,k),因此模糊自适应因子η更新式为:
Claims (2)
1.一种深海潜航器的SINS/DVL水下抗晃动对准方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:
(1)根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立的大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程,将深海潜航器的水下对准过程分为:SINS抗晃动双矢量定姿自对准和SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准;
(2)SINS抗晃动双矢量定姿自对准在选定重力矢量为主参考矢量的前提下,预先对参与姿态解算的矢量作单位正交化处理;
步骤(1)中所述的根据水下复杂环境和捷联惯导、四波束水下多普勒导航系统特点所建立的大失准角非线性误差模型以及精对准滤波方程的具体方法是:
选取东北天地理坐标系作为导航坐标系,记为n系,选取SINS/DVL导航系统解算的导航坐标系作为计算坐标系为n′系,选取潜航器舱体的右前上坐标系作为载体坐标系,记为b系,
定义速度和姿态角误差为:
其中,
νn为潜航器的真实速度在n系下的投影,
1)建立SINS非线性误差模型:
SINS速度误差方程:
SINS姿态误差方程:
SINS位置误差方程:
RE为卯酉圈半径,RN为子午圈半径;
2)建立DVL线性误差模型:
其中,刻度因数误差δC用随机常数描述,对地速度误差误差δνd、偏流角误差δΔ用一阶马尔可夫过程描述,τd、τΔ分别为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间,wd、wΔ分别为速度偏移误差和偏流角误差的零均值高斯白噪声;
3)建立精对准滤波方程:由于SINS/DVL组合系统的天向通道发散,因此忽略天向通道状态量,从而选取潜航器的纬度位置误差δL、经度位置误差δλ,潜航器的东向速度误差δνe、北向速度误差δνn,潜航器的欧拉角东向、北向、天向平台误差角分别为陀螺仪传感器的东向、北向、天向常值误差分别为加速度计传感器的东向、北向常值误差分别为δνd为水下DVL导航系统的对地速度误差,δΔ为水下DVL导航系统的偏流角误差,δC为水下DVL导航系统的刻度因数误差,成为15维状态变量:
SINS/DVL非线性滤波状态方程为:
SINS/DVL导航系统的非线性滤波状态方程简记为:
同时,选取SINS解算速度和DVL测量速度之差作为SINS/DVL导航系统的非线性滤波观测变量:
其中,νSINSe、νSINSn分别为捷联惯导系统的导航解算速度νSINS在导航系东向和北向的投影,δνe、δνn分别为捷联惯导系统的导航解算速度误差δν在导航系东向和北向的投影,νde、νdn分别为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度νd在导航系东向和北向的投影,δνde、δνdn分别为四波束水下多普勒导航系统的导航解算速度误差δνd在导航系东向和北向的投影;
SINS/DVL导航系统的非线性滤波量测方程简记为:
Z=h(X,t)+v(t);
步骤(1)中所述的SINS抗晃动双矢量定姿自对准,包括以下步骤:
0-t时间段内重力在导航系(n系)积分为:
0-t时间段内重力在载体系(b系)下的积分为:
2.根据权利要求1所述的深海潜航器的SINS/DVL水下抗晃动对准方法,其特征在于:所述的深海潜航器的水下抗晃动对准方法,步骤(1)中所述的SINS/DVL的基于SVD分解的模糊自适应鲁棒CKF滤波器对准,包括以下步骤:
1)计算基本容积点和相应权值:
式中,m表示容积点总数,m=2num,num为CKF滤波器的状态维数,[1]表示对num维单位向量e=[1,0,..,0]T的全排列和改变元素符号产生的点集;
2)时间更新:
①基于SVD分解计算容积点Xj,k-1
其中,k为滤波时刻,Uj,k-1为k-1时刻SVD分解出的酉阵,sj为k-1时刻滤波器输出的最优滤波估计协方差Pk-1|k-1的特征值的平方根,j=1,2,…,num,为k-1时刻滤波器输出的最优状态估计;
其中Qk-1为k-1时刻的导航系统过程噪声矩阵;
3)量测更新:
①基于SVD分解计算容积点Xj,k|k-1
②通过所述的非线性量测方程计算传播容积点Zj,k
Zj,k=h(Xj,k|k-1,t)
Kk=Pxz,k/Pzz,k
为在晃动基座下,使精对准过程具有一定鲁棒性,基于H∞滤波器的相关原理,对传统CKF的最优估计协方差进行改写:
其中,γ为H∞次优解的阈值,与滤波器的鲁棒性能有关,H∞次优问题存在解的充分必要条件可由黎卡提不等式给出:
阈值γ模糊自适应算法如下:
γ=η·γa
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