CN109724627A - 一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航控制领域，具体涉及一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，包括以下步骤：获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出；子惯导系统启动、预热，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订；子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量。本发明充分考虑了极区多径效应导致的GNSS系统工作异常，并发明了基于自适应无迹卡尔曼滤波和格网系非线性传递对准模型。

Description

一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法

技术领域

本发明属于卫星导航控制领域，具体涉及一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法。

背景技术

传递对准技术作为初始对准技术的一种，适用于舰载机或舰载武器惯导系统的动基座初始对准。当前主流的传递对准方法是建立在主惯导系统可以通过GNSS等高精度外部参考信息实时校正的前提下，即主惯导系统可以近似被视为无误差。但是，在极区传递对准实际应用中，由于极区多径效应、切断效应和磁暴明显，GNSS的工作效果和定位精度严重下降，主惯导系统误差无法得到有效抑制，进而基于主惯导系统无误差的格网系传递对准方法也会出现精度降低等问题。为了在这种情况下保障传递对准精度，需要引入其他导航信息辅助完成格网系传递对准。由于多普勒计程仪使用灵活方便，没有随时间累积的误差，其可以在极区保持较高的速度测量精度；星敏感器自主性强，不受极区磁场异常和经线收敛的干扰，其可以在极区保持较高的姿态精度。因此，在实际应用中多选取多普勒计程仪和星敏感器提供高精度的外部参考信息。综上所述，以星敏感器和多普勒计程仪提供的参考信息作为观测信息，构建“速度+姿态”观测模型，并建立多普勒计程仪/星敏感器辅助的格网系传递对准非线性模型，同时利用自适应无迹卡尔曼滤波解算，以解决主惯导系统在极区条件下精度降低的问题。

Li W等人在《A Novel Scheme for DVL-Aided SINS In-Motion AlignmentUsing UKF Techniques》(发表于期刊《Sensors》，2013年，第13卷，01期)一文中，提出了一种基于UKF滤波的多普勒计程仪辅助捷联惯导系统的动基座初始对准方法，但是没有解决极区环境下对准问题。Wang X L等人在《A high accuracy multiplex two-positionalignment method based on SINS with the aid of star sensor》(发表于期刊《Aerospace Science and Technology》，2015年，第42卷)一文中，提出了一种星敏感器辅助的捷联惯导系统高精度双位置初始对准方法，其适用于中低纬度地方，不适合应用于极区。综上所述，现有的传递对准方法无法有效地应用于极区舰船主惯导系统有误差的情况下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多普勒计程仪/星敏感器辅助的极区传递对准方法。

一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，包括以下步骤：

(1)获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出；

(2)子惯导系统启动、预热，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订；

(3)子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量；

(4)在极区舰船存在大方位失准角的情况下，依据格网系下的导航力学编排，结合格网导航误差方程，采用“速度+姿态”的匹配方式，建立格网系下的系统状态方程和量测方程；

(5)利用设计的格网坐标系下的状态方程、观测方程和构造的观测量，进行无迹卡尔曼滤波解算，估算出子惯导系统的姿态失准角、速度的状态估算值，完成传递对准。

所述获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出，包括舰船在地理坐标系下的速度和星敏感器载体系m'到地心惯性坐标系i系的方向余弦矩阵

所述子惯导系统启动、预热，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订，包括：

所述的导航参数包括速度、姿态矩阵和位置信息；

所涉及的速度其表达式为：

其中，是多普勒计程仪实际输出的速度，是舰船格网系下真实速度，δK_d是刻度因数误差，δv_d是随机速度误差，ω_d是高斯白噪声，且满足

所涉及的姿态矩阵其表达式为：

其中，是星敏感器载体系m′系相对于子惯导载体系s′系的姿态矩阵，是格网系G系相对于地心惯性系i系的方向余弦矩阵，是星敏感器载体系m′系相对于格网系G系的姿态矩阵。

所述子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量，包括：

所涉及的速度误差观测量Z_v，其表达式为：

所涉及的姿态误差观测量Z_φ，其表达式为：

其中，δa是星敏感器安装误差，v_φ＝[v_φx v_φy v_φz]^T为观测噪声。

所述在极区舰船存在大方位失准角的情况下，依据格网系下的导航力学编排，结合格网导航误差方程，采用“速度+姿态”的匹配方式，建立格网系下的系统状态方程和量测方程，包括：

所涉及的状态变量x为：

所涉及的系统状态方程为：

所涉及的观测量Z为：

所涉及的观测方程为：

Z＝HX+v

其中，v是观测噪声，H是量测矩阵。

本发明的有益效果在于：

本发明充分考虑了极区多径效应导致的GNSS系统工作异常，无法有效地校正主惯导系统随时间累积的误差问题，并发明了基于自适应无迹卡尔曼滤波和格网系非线性传递对准模型，借助多普勒计程仪/星敏感器辅助的格网系传递对准方法。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于多普勒计程仪/星敏感器辅助的极区传递对准方法的基本流程框图；

图2为本发明提出的多普勒计程仪/星敏感器辅助方法和无辅助方法在中等海况、摇摆状态下φ_a的估计误差曲线对比图；

图3为本发明提出的多普勒计程仪/星敏感器辅助方法和无辅助方法在中等海况、匀速直线运动状态下φ_a的估计误差曲线对比图；

图4为本发明提出的多普勒计程仪/星敏感器辅助方法和无辅助方法在恶劣海况、匀速直线运动状态下φ_a的估计误差曲线对比图；

图5为本发明提出的多普勒计程仪/星敏感器辅助方法和无辅助方法在恶劣海况、匀加速直线运动状态下φ_a的估计误差曲线对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

传递对准技术作为初始对准技术的一种，适用于舰载机或舰载武器惯导系统的动基座初始对准。当前主流的传递对准方法是建立在主惯导系统可以通过GNSS等高精度外部参考信息实时校正的前提下，即主惯导系统可以近似被视为无误差。但是，在极区传递对准实际应用中，由于极区多径效应、切断效应和磁暴明显，GNSS的工作效果和定位精度严重下降，主惯导系统误差无法得到有效抑制，进而基于主惯导系统无误差的格网系传递对准方法也会出现精度降低等问题。为了在这种情况下保障传递对准精度，需要引入其他导航信息辅助完成格网系传递对准。由于多普勒计程仪使用灵活方便，没有随时间累积的误差，其可以在极区保持较高的速度测量精度；星敏感器自主性强，不受极区磁场异常和经线收敛的干扰，其可以在极区保持较高的姿态精度。因此，在实际应用中多选取多普勒计程仪和星敏感器提供高精度的外部参考信息。综上所述，以星敏感器和多普勒计程仪提供的参考信息作为观测信息，构建“速度+姿态”观测模型，并建立多普勒计程仪/星敏感器辅助的格网系传递对准非线性模型，同时利用自适应无迹卡尔曼滤波解算，以解决主惯导系统在极区条件下精度降低的问题。

Li W等人在《A Novel Scheme for DVL-Aided SINS In-Motion AlignmentUsing UKF Techniques》(发表于期刊《Sensors》，2013年，第13卷，01期)一文中，提出了一种基于UKF滤波的多普勒计程仪辅助捷联惯导系统的动基座初始对准方法，但是没有解决极区环境下对准问题。Wang X L等人在《A high accuracy multiplex two-positionalignment method based on SINS with the aid of star sensor》(发表于期刊《Aerospace Science and Technology》，2015年，第42卷)一文中，提出了一种星敏感器辅助的捷联惯导系统高精度双位置初始对准方法，其适用于中低纬度地方，不适合应用于极区。综上所述，现有的传递对准方法无法有效地应用于极区舰船主惯导系统有误差的情况下。

本发明提出了一种基于声学/天文导航辅助的极区传递对准方法，如附图1所示，该方法的主要步骤如下：

(1)获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出，所述的输出包括舰船在地理坐标系下的速度和星敏感器载体系m'系到地心惯性坐标系i系的方向余弦矩阵

(2)完成子惯导系统的启动、预热准备，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订，所述的导航参数包括速度、姿态矩阵和位置信息；

所涉及的速度其表达式为：

其中，是格网系下多普勒计程仪实际输出的速度，是舰船格网系下真实速度，δK_d是刻度因数误差，δv_d是随机速度误差，ω_d是高斯白噪声，且满足 是地理坐标系与格网坐标系的方向余弦矩阵，其表达式为：

式中，σ为格网北向与地理真北之间的夹角，其可计算如下：

对于刻度因数误差δK_d，可以将其看作为常值，因此其微分方程为：

对于随机速度误差δv_d，则可以将其建模为一阶马尔可夫过程：

式中，τ_v为一阶马尔可夫过程的相关时间，ω_vd则为白噪声，且满足

所涉及的姿态矩阵其表达式为：

式中，是星敏感器载体系m′系相对于子惯导载体系s′系的姿态矩阵，是格网系G系相对于地心惯性系i系的方向余弦矩阵，是星敏感器载体系m′系相对于格网系G系的姿态矩阵；

星敏感器的误差可以建模为两部分：测量误差ω_m′和安装误差δa；

作为高精度姿态测量设备，小视场星敏感器的测量精度可以达到角分级，且其测量误差不会随着时间累积，因此可将星敏感器的测量误差ω_m′建模为白噪声过程，其满足

对于安装误差δa，则可将其建模为常值误差和随机误差两部分：

δa＝δa_s+δa_w

式中，δa_w为星敏感器的随机误差，可以将其建模为白噪声过程ω_aw，δa_s为星敏感器的常值误差，其微分方程满足：

由于安装误差δa的存在，星敏感器载体系m′系和主惯导系统载体系m系不重合，m′系到m系的方向余弦矩阵可以表示为：

(3)子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量；

在主惯导系统有误差的情况下，其在格网系下的实际速度输出为：

式中，为主惯导系统的速度误差，由于为主惯导系统在格网系下的无误差速度，而主惯导系统被安装在船舶上，则即为船舶的格网系真实速度，所以有如下关系：

因此，可以选择多普勒计程仪输出的速度代替主惯导系统输出的速度作为速度观测信息，则速度误差观测量可以构建如下：

所涉及的速度误差观测量Z_v，经过对杆臂误差的补偿，其表达式为：

m′系到s′系的方向余弦矩阵可以表示如下：

可以通过星敏感器和子惯导系统的姿态输出获得，且在主惯导系统姿态存在误差的情况下，星敏感器的姿态精度高于主惯导系统。因此，可以利用代替构造姿态误差观测量，忽略二阶小量，可得的具体表示为：

因此，所涉及的姿态误差观测量Z_φ，其表达式为：

式中，δa是安装误差，v_φ＝[v_φx v_φy v_φz]^T为观测噪声；

(4)在极区舰船存在大方位失准角的情况下，依据格网系下的导航力学编排，结合格网导航误差方程，采用“速度+姿态”的匹配方式，建立格网系下的系统状态方程和量测方程；

所涉及的状态变量x为：

所涉及的系统状态方程为：

所涉及的观测量Z为：

所涉及的观测方程为：

Z＝HX+v

式中，v是观测噪声，H是量测矩阵；

(5)利用设计的格网坐标系下的状态方程、观测方程和构造的观测量，进行无迹卡尔曼滤波解算，估算出子惯导系统的姿态失准角、速度的状态估算值，完成传递对准。

为了验证本发明的合理性、可行性，利用Matlab程序对所设计的一种基于声学/天文导航辅助的极区传递对准方法进行验证，为了实现分析比较，将本发明方法定义为声学/天文辅助方法，将格网系传递对准非线性方法定义为五辅助方法，两种方法都是在主惯导系统存在姿态和速度误差的情况下，利用自适应无迹卡尔曼滤波对状态量进行估计。

Matlab实验数据设计如下：

(1)船舶的姿态相关参数分别为：中等海况的姿态相关参数分别为：纵摇角、横摇角和航向角的幅值/周期分别为3°/3s、2°/5s和4°/7s；恶劣海况的姿态相关参数分别为：纵摇角、横摇角和航向角的幅值/周期分别被设定为9°/3s、6°/5s和8°/7s；两种海况下，初始相位和航向角则分别被设定为0°和45°；

(2)运动状态的相关参数分别为：初始纬度被设定为86°，初始经度λ被设定为135°；匀速直线运动时，速度被设定为20nmile/h；匀加速直线运动状态时，速度被设定为10nmile/h，加速度被设定为0.1m/s²；

(3)惯性器件测量误差分别为：对于主惯导系统，其陀螺常值漂移为0.001°/h，随机漂移为0.0001°/h，加速度常值漂移为1×10^-5g₀，随机漂移为1×10^-6g₀；对于子惯导系统，其三轴陀螺常值漂移分别为-5.4217×10^-9rad/s、6.9875×10^-9rad/s和2.0264×10^-8rad/s，三轴陀螺随机漂移分别为9.785×10^-7rad/s、4.527×10^-6rad/s和4.527×10^-6rad/s，三轴加速度常值漂移分别为-4.3785×10^-6m/s²、4.3785×10^-6m/s²和4.6584×10^-6m/s²，三轴加速度随机漂移分别为0.00578m/s²、0.00578m/s²和0.000624m/s²；

(4)传递对准的相关参数分别为：在大方位失准角的情况下，三轴实际物理失准角的真值分别被设定为φ_ax＝0.6°、φ_ay＝0.4°和φ_az＝8°；在主惯导系统存在误差的情况下，主惯导系统的姿态误差被设定为1.2°、1.5°和1.5°，速度误差被设定为2.5m/s和1.7m/s；三轴固定杆臂r₀的长度分别被设定为5m、0m和2m；三轴挠曲变形角的二阶马尔科夫参数分别被设定为a_x＝2、a_y＝2、a_z＝3、b_x＝1、b_y＝1和b_z＝1，激励白噪声σ²的噪声强度被设定为0.001rad²/s²；三轴σ²的计算值分别是0.0005rad²/s²、0.0005rad²/s²和0.00167rad²/s²，同时为了保障系统的鲁棒性，三轴σ²的值应被设定为高于以上计算值，过程噪声中的补偿白噪声则可以根据σ²的值求得；

(5)多普勒计程仪和星敏感器的相关参数分别为：多普勒计程仪刻度因子误差δK_d被设定为0.01，高斯白噪声ω_d被设定为0.01m/s，随机速度误差δv_d被建模为一阶马尔可夫过程，其相关时间τ_v被设定为100s，激励白噪声的噪声强度ω_vd被设定为0.2m/s；星敏感器常值安装误差δa_s分别被设定为0.07°、0.06°和0.09°，三轴随机安装误差δa_w分别被设定为0.02°、0.03°和0.03°，三轴测量噪声ω_m′分别被设定为0.013°、0.013°和0.013°；

(6)对准时间为60s，步长为0.1s。初始状态估计协方差阵P₀、系统过程噪声协方差阵Q和观测噪声协方差阵R分别被设定为：

R＝diag{(0.1m/s)²,(0.1m/s)²,(0.30°)²,(0.42°)²,(0.055°)²}

(6)仿真结果

以上述仿真条件，在不同海况和运动状态下，φ_a的估计误差小于+3σ标准差并大于-3σ标准差，即φ_a的估计误差处于±3σ标准差的范围之内。这说明本发明所设计的格网系传递对准滤波器运行连续且平稳。

不同海况和运动状态下φ_a的估计误差如图2～图5所示。从图中可以明显看出，多普勒计程仪/星敏感器辅助方法的估计误差要小于无辅助方法的估计误差。这说明多普勒计程仪/星敏感器辅助方法在保障极区传递对准性能方面具有更好的效果。在中等海况和恶劣海况的情况下，舰船在不同的运动状态下失准角误差均可达到较好的收敛效果，且收敛结果非常平稳。

综合上述，多普勒计程仪/星敏感器辅助的传递对准方法的实测数据实验结果表明，在主惯导系统由于出现误差而不准确的情况下，本发明的方法在提升极区传递对准的精度上明显优于无辅助方法，且其可以实现高精度的失准角估计。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出；

(2)子惯导系统启动、预热，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订；

(3)子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量；

(4)在极区舰船存在大方位失准角的情况下，依据格网系下的导航力学编排，结合格网导航误差方程，采用“速度+姿态”的匹配方式，建立格网系下的系统状态方程和量测方程；

(5)利用设计的格网坐标系下的状态方程、观测方程和构造的观测量，进行无迹卡尔曼滤波解算，估算出子惯导系统的姿态失准角、速度的状态估算值，完成传递对准。

2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，其特征在于，所述获取多普勒计程仪和星敏感器实时输出，包括舰船在地理坐标系下的速度和星敏感器载体系m'到地心惯性坐标系i系的方向余弦矩阵

3.根据权利要求1所述的一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，其特征在于，所述子惯导系统启动、预热，子惯导系统利用多普勒计程仪、星敏感器和主惯导系统发送的导航参数完成一次装订，包括：

所述的导航参数包括速度、姿态矩阵和位置信息；

所涉及的速度其表达式为：

其中，是多普勒计程仪实际输出的速度，是舰船格网系下真实速度，δK_d是刻度因数误差，δv_d是随机速度误差，ω_d是高斯白噪声，且满足

所涉及的姿态矩阵其表达式为：

其中，是星敏感器载体系m′系相对于子惯导载体系s′系的姿态矩阵，是格网系G系相对于地心惯性系i系的方向余弦矩阵，是星敏感器载体系m′系相对于格网系G系的姿态矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，其特征在于，所述子惯导系统进行惯导解算，同步采集多普勒计程仪在格网系下输出的速度信息、星敏感器在格网系下输出的姿态信息和子惯导系统在格网系下解算出的速度和姿态信息，并以此构建速度误差观测量和姿态误差观测量，包括：

所涉及的速度误差观测量Z_v，其表达式为：

所涉及的姿态误差观测量Z_φ，其表达式为：

其中，δa是星敏感器安装误差，v_φ＝[v_φx v_φy v_φz]^T为观测噪声。

5.根据权利要求1所述的一种基于多普勒计程仪和星敏感器辅助的极区传递对准方法，其特征在于，所述在极区舰船存在大方位失准角的情况下，依据格网系下的导航力学编排，结合格网导航误差方程，采用“速度+姿态”的匹配方式，建立格网系下的系统状态方程和量测方程，包括：

所涉及的状态变量x为：

所涉及的系统状态方程为：

所涉及的观测量Z为：

所涉及的观测方程为：

Z＝HX+v

其中，v是观测噪声，H是量测矩阵。