CN110542438B

CN110542438B - 一种基于sins/dvl组合导航误差标定的方法

Info

Publication number: CN110542438B
Application number: CN201910939224.1A
Authority: CN
Inventors: 郭猛; 胡小毛; 肖永刚; 刘赢
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110542438A

Abstract

本发明涉及基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，步骤为：1)获取航行轨迹预测模型：2)获取DVL航行距离和GNSS航行距离；3)将航次数据纳入总航次数据；重新计算新的待验证DVL误差参数并更新系统误差参数；4)回到步骤2)继续执行，直到阶段航次数达到预设的最大航次数量，标定结束，此时已验证误差参数即为DVL误差参数。本发明基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，对GNSS位置数据进行有效性判断，利用最小二乘法建立航行轨迹预测模型来提高GNSS位置信息可靠性，并利用DVL航行距离和GNSS航行距离的关系计算DVL误差参数，标定过程中在计算DVL误差的同时加以反馈验证机制，遇到标定错误时能够及时重新计算，验证标定结果正确性，提升标定结果准确度，具有工程实际意义。

Description

一种基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别是涉及一种基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法。

背景技术

惯导系统具有自主、稳定、短时定位精度高的优势，但长时间工作时存在累计误差，工程中常利用其它导航设备提供的辅助导航信息对惯导误差进行估计和校正的方法来实现高精度导航，DVL(多普勒计程仪)是较精准的外部测速导航设备，SINS(捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System)/DVL(多普勒计程仪(Doppler VelocityLog))组合导航就是利用DVL提供的高精度速度来抑制SINS导航误差的积累，而对于组合导航系统来说，解决外部辅助信息和惯导信息的时空一致性是保证组合导航精度的基础。由于DVL本身具有刻度系数误差，其坐标系与载体坐标系也不完全一致，因此在组合导航之前需要对DVL进行标定，目的是为了获取DVL的安装误差和刻度系数误差。目前常用Kalman滤波方程来求解安装误差角和刻度系数误差，但往往方案实现比较复杂，标定过程中也易受到GNSS(全球导航卫星系统)数据可靠性的干扰，导致标定结果不够准确和稳定。

本发明对GNSS位置数据进行有效性判断，建立有效数据集合，进而利用最小二乘法建立航行轨迹预测模型。在标定过程中利用该模型对GNSS数据信息进行预测和剔除，提高了标定过程中GNSS数据信息的可靠性，同时标定过程中在计算DVL误差时加以反馈验证机制，遇到标定错误时及时发现，验证了标定结果的正确性，提升了标定结果的准确度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种实现简单、准确度高的基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)获取航行轨迹预测模型：使惯导系统工作在两路通道的导航解算，并同时进行两种通道解算，两种通道为SINS/GNSS组合导航通道和SINS/DVL航位推算通道，当GNSS有效时，使载体沿直线航行一小段时间，对采集的GNSS位置信息进行统计，剔除野值，获取有效的位置集合，再利用最小二乘法对该有效位置集合进行拟合，建立最小二乘预测模型，从而获取航行轨迹预测模型；

2)获取DVL航行距离和GNSS航行距离：在标定过程中，按所述航行轨迹预测模型对GNSS位置信息进行预测，剔除GNSS野值数据，得到较为可靠的GNSS位置信息，采用该位置信息进行Kalman滤波解算，使惯导系统误差达到最小，并利用该GNSS位置信息引导载体沿直线进行航行，实时推算DVL航行距离，最终获取DVL航行距离和GNSS航行距离；

3)将航次数据纳入总航次数据：保持载体原有航行轨迹继续沿直线航行到下一个阶段航次点时，与上一阶段航次点比较位置精度误差，若精度误差变大，说明上一航次标定无效，则忽略待验证DVL误差参数和上段航次数据，将本段航次数据进行坐标平移后纳入总航次数据；若精度误差变小，则待验证DVL误差参数更新为已验证误差参数，将本段航次数据纳入总航次数据；

4)重新计算新的待验证DVL误差参数并更新系统误差参数；

5)回到步骤2)继续执行，直到阶段航次数达到预设的最大航次数量，标定结束，此时已验证误差参数即为DVL误差参数。

而且，步骤2)的DVL航行距离和GNSS航行距离，根据以下公式计算：

Δt为DVL速度采样周期；

N为采样点数；

为DVL测量速度在m坐标系的分解量；

为DVL航行距离在m坐标系的分解量；

为GNSS航行距离在b坐标系的分解量；

λ_GNSS(t₀)，L_GNSS(t₀)是整个航次起点的GNSS经纬度；

λ_GNSS(t)，L_GNSS(t)是阶段航次结束时的GNSS经纬度；

R_M，R_N是旋转椭球面的主曲率半径。

而且，步骤3)的计算待验证DVL误差参数，是指根据以下公式计算DVL安装误差：

其中：

为DVL航行距离；

为GNSS航行距离。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，本发明对GNSS位置数据进行有效性判断，利用最小二乘法建立航行轨迹预测模型来提高GNSS位置信息的可靠性，并利用DVL航行距离和GNSS航行距离的关系计算DVL误差参数，标定过程中在计算DVL误差的同时加以反馈验证机制，遇到标定错误时能够及时重新计算，验证了标定结果的正确性，提升了标定结果的准确度，具有工程实际意义。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，其理论推导过程为：在SINS/DVL组合导航过程，主要误差源包括DVL的刻度系数误差和载体与DVL之间的安装误差。为了提高DVL的测速精度，需要对DVL安装误差和刻度系数误差进行标定补偿。设DVL载体坐标系为m系，惯导系统载体坐标系为b系，惯导系统导航坐标系为地理坐标系n系，则：若不计惯导姿态误差，DVL速度在导航坐标系中的投影与DVL速度在载体坐标系的投影关系为：

为DVL真实速度，

为DVL与载体之间的安装误差，

为载体坐标系与导航坐标系之间的状态转换矩阵。

若设DVL的刻度系数误差为δk，则

为DVL测量速度，δk为DVL刻度系数误差。有：

转换为：

若定义标定过程在水面进行，则垂向速度变化很小，水平误差角对定位影响很小，可以忽略不计，转为二维空间解算，对式1变换，有：

其中，

为

在载体坐标系的分解速度；

γ为DVL的方位安装误差角；

为

在m坐标系的分解速度。

由于γ一般很小，近似认为

则：

理论上，

比较难于获得，可以选取替代的方式是利用其它信息源获取的数据作为替代数据，比如GNSS。得：

但往往由于GNSS速度不如GNSS位置可靠，有：

解得：

式2即为DVL的安装误差求解公式，其中,

为DVL的实测航行距离，

为GNSS的航行距离，并由下式求得：

其中，

Δt为DVL速度采样周期；

为DVL测量速度在二维直角坐标系的分解速度；

为DVL的实测航行距离；

为GNSS的航行距离；

λ_GNSS(t₀)，L_GNSS(t₀)是整个航次起点的GNSS经度和纬度；

λ_GNSS(t)，L_GNSS(t)是阶段航次结束时的GNSS经度和纬度；

R_M，R_N是旋转椭球面的主曲率半径。

本发明需要借助GNSS实测数据进行DVL安装误差的标定，故在标定过程中需对GNSS数据进行处理，提高位置数据可靠性。

假定二维空间上存在点P，在直角坐标系表示为P(x,y),在极坐标系表示为P(ρ,θ)，其中

则极坐标方程：ρ＝xcosθ+ysinθ。极坐标系下，每一个极坐标点唯一确定了一条直线，直线方程就是一个点。即，具有相同极坐标的点均在同一条直线上。结论：若θ相同，具有近似等于ρ的极坐标点一定在P(ρ,θ)所确定直线的周围。

先获取有效GNSS位置信息统计样本：为寻找近似航迹，以GNSS位置信息作为航行牵引，使载体沿直线航行一小段时间，并采集n个GNSS数据样本。首先，假定每条辅助直线的间隔角度精度为γ°，利用穷举法围绕每个GNSS点作m条穿过该点的辅助直线(m＝180°/γ)，记作

则认定P集合中存在一条直线必为载体的近似航迹。其次，基于θ_i对n个GNSS数据样本计算ρ_i的平均值

为：

再次，设阈值为d，计数器为

计算方法是：对于i＝1至m，计算P集合的点(ρ_i,θ_i)坐标，若找到P集合中的点(ρ_i,θ_i)，使得

则相应地对计数器k_i加1。如是循环n次。最后，遍历K集合，寻找计数器k_i的最大值。而最大值的下标i所对应的p_i即视为航迹，进而将满足条件

的P′集合，(记作

n′为满足条件的GNSS点的个数)作为可靠的GNSS位置信息集合，而不属于该集合的GNSS位置信息将作为野值被剔除。

进行最小二乘预测，将P′集合转换为直角坐标系表示，则有

其中x_i表示经度，y_i表示纬度。按以下方法对该数据集合进行二次多项式拟合，求得y_n(x)，并据此建立最小二乘法预测模型：

(1)计算

(2)列出

通过最小二乘法求出a₀,a₁,a₂；

(3)最后得到y_n(x)＝a₀+a₁x+a₂x²，即为所求最小二乘预测模型。

通过上述最小二乘法预测模型对GNSS位置数据信息进行预测，若获取的GNSS位置数据信息在预测模型的预测范围内，则视为当前GNSS位置参考信息，否则引用SINS/GNSS组合位置作为GNSS位置参考信息，而当前GNSS信息作为野值被剔除。基于此，可提高GNSS位置信息的可靠性。高可靠性的位置信息可对惯导系统沿直线航行提供精确的保证。

本发明的基于SINS/DVL组合导航误差标定的方法，其包括如下步骤：

步骤1)中的SINS/GNSS组合导航通道，是为了在标定过程中获取更精确的SINS解算位置，当GNSS偶发错误时，可用SINS/GNSS组合位置进行替代。

步骤1)的航行一小段时间，不进行误差标定，而是为了预先统计GNSS样本，剔除野值，最终建立航行轨迹预测模型。

步骤1)的剔除野值，指将获取的GNSS直角坐标系点集合转换为极坐标点集合，利用若θ相同，具有近似等于ρ的极坐标点一定在P(ρ,θ)所确定的直线的周围这一结论，统计数据样本通过某点的数量最大值，确定航迹线，并剔除不在该航迹线的野值点。

步骤1)的建立预测模型，指根据剔除野值后的GNSS位置信息样本点集合

利用最小二乘法建立航行轨迹预测模型。

步骤2)的野值剔除，不同于步骤1的野值剔除，而是根据所述预测模型预测航行位置范围，进而剔除超出范围的野值点，提高位置数据的可靠性，同时保证载体更好地沿直线航行。

步骤2)的DVL航行距离和GNSS航行距离，包括获取DVL测量速度解算DVL航行距离和获取当前GNSS位置信息。

步骤2)的DVL航行距离和GNSS航行距离，根据以下公式计算：

Δt为DVL速度采样周期；

N为采样点数；

为DVL测量速度在m坐标系的分解量；

为DVL航行距离在m坐标系的分解量；

为GNSS航行距离在b坐标系的分解量；

λ_GNSS(t₀)，L_GNSS(t₀)是整个航次起点的GNSS经纬度；

λ_GNSS(t)，L_GNSS(t)是阶段航次结束时的GNSS经纬度；

R_M，R_N是旋转椭球面的主曲率半径。

步骤3)的计算待验证DVL误差参数，是指根据以下公式计算DVL安装误差：

其中：

为DVL航行距离；

为GNSS航行距离；

步骤3)的阶段航次，是指误差标定是分阶段进行的，当前阶段航次是对上一阶段航次的DVL误差参数标定结果进行验证，而当前阶段航次又为下一阶段航次提供新的待验证DVL误差参数。

4)重新计算新的待验证DVL误差参数并更新系统误差参数；

本发明对GNSS位置数据进行有效性判断，利用最小二乘法建立航行轨迹预测模型来提高GNSS位置信息的可靠性，并利用DVL航行距离和GNSS航行距离的关系计算DVL误差参数，标定过程中在计算DVL误差的同时加以反馈验证机制，遇到标定错误时能够及时重新计算，验证了标定结果的正确性，提升了标定结果的准确度，具有工程实际意义。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。