CN110763228A - 基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下组合导航技术领域，具体涉及一种基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法。本发明解决了全自主海底油气管检测机器人对超长距离海底油气管道腐蚀缺陷的精确定位问题。本发明是一种低成本且有效的方法，无需上浮至海面，只需要在检测到海底油气管节点时进行悬停，从而完成海底油气管检测机器人的位置误差修正，实现长时间长航程的海底油气管检测作业，提高海底油气管检测机器人的作业效率。当海底油气管检测机器人运动到海底油气管节点位置时悬停，进行零速修正，提高系统的导航定位精度。本发明为海底油气管检测机器人完成长航时、长航程作业提供保障，也为水下无人航行长航时精确导航提供了借鉴和解决方案。

Description

基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法
技术领域
本发明属于水下组合导航技术领域，具体涉及一种基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法。
背景技术
当前水下组合导航系统设计的主流是INS/DVL组合导航，惯性导航系统(INS)是自主导航，具有隐蔽性好、数据率高及导航参数全面等优点，但是其导航定位误差会随着时间推移而不断增大。多普勒计程仪(DVL)能提供载体相对于声学反向散射源的速度矢量信息，但是该声呐设备的测量距离是有限的。
将INS，DVL的导航信息进行综合处理，即INS/DVL组合导航系统，该系统是一种速度组合的模式，能够获得高精度的速度信息，实现海底油气管检测机器人的导航定位。但对于长航时长航程的海底油气管检测作业来说，其位置误差积累，会导致海底油气管检测机器人无法精确记录缺陷位置信息，为海底油气管的抢修和维护作业带来不便。因此，需要对INS/DVL导航系统进行误差修正。常规做法是将海底油气管检测机器人浮出水面通过卫星导航系统(GPS)进行位置校正，然后再下潜到水下继续执行任务，如此往复。这种方式极大地限制了海底油气管检测机器人执行任务的效率，因此，有必要研究一种使海底油气管检测机器人在水下长期航行、不用浮出水面的误差修正方法。
零速修正是惯性导航系统不可缺少的误差控制补偿方法。零速修正方法利用载体停车时，惯性系统的速度输出作为系统速度误差的量测量，从而对其它各项误差进行修正,是一种廉价而有效的惯性系统误差补偿方法，零速修正目前主要应用于陆地载体。由于海底油气管检测机器人在深海环境下能够实现悬停，基于此，将零速修正方法用于海底油气管检测机器人INS/DVL组合导航系统的误差修正。现有技术中并没有涉及基于海底油气管节点位置路标辅助的INS/DVL组合导航系统误差修正方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法。
本发明的目的是这样实现的：包括如下步骤：
步骤一：海底油气管检测机器人搭载漏磁传感器对海底管道进行扫描；结合非接触式金属磁记忆技术，识别海底油气管节点，在水面船的辅助下精确标记海底油气管节点位置的地理坐标；
步骤二：当海底油气管检测机器人运动到海底油气管节点位置时悬停，进行水下零速修正，完成海底油气管检测机器人的位置修正，抑制位置误差的发散；
步骤三：以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算，当海底油气管检测机器人检测到海底油气管腐蚀等缺陷时，记录缺陷的精确位置信息，为海底油气管检测和维护提供保障。
本发明还可以包括：
所述的步骤三中以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算具体包括：
INS的状态向量为：
X＝[δL δλ δVE δVN φe φn φu]T
其中φe、φn、φu分别是INS的东向、北向、天向轴失准角；δVE、δVN分别是东向、北向轴速度误差；δL、δλ分别是纬度、经度误差；
海底油气管检测机器人的INS/DVL组合导航定位系统的状态方程为：
其中F、G分别是系统的状态向量系数矩阵和噪声向量系数矩阵；W是系统噪声；
W＝[▽E ▽N εx εy εz]
其中▽E、▽N为加速度计的噪声；εx、εy、εz为陀螺的噪声；
海底油气管检测机器人在海底油气管节点位置悬停，将此时INS测量的位置数据与海底油气管节点位置数据进行比较得到INS位置误差，将该误差作为惯导姿态误差估计的量测值；所述的惯导姿态误差估计的量测值的表达式为：
Zp＝[δλ,δL]T
系统的量测方程为：
Zp＝Hp+Vp
其中系数矩阵Hp＝[I2 02×5]，量测噪声Vp＝[vp1 vp2]T。
本发明有益效果在于：
本发明提供的一种基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法是一种低成本且有效的方法，无需上浮至海面，只需要在检测到海底油气管节点时进行悬停，从而完成海底油气管检测机器人的位置误差修正，实现长时间长航程的海底油气管检测作业，提高海底油气管检测机器人的作业效率。
附图说明
图1为基于海底油气管节点位置路标辅助的惯导零速修正方案示意图；
图2为海底油气管检测机器人INS/DVL组合导航定位原理；
图3为节点位置路标辅助的海底油气管检测机器人工作示意图；
图4为节点位置路标辅助的海底油气管检测机器人工作流程图。
具体实施方式
下面结合发明内容，通过以下实施例阐述本发明的一种详细实施方案与效果。
本发明涉及海底油气管检测领域，提供一种基于海底油气管节点位置路标辅助的INS/DVL导航系统误差修正方法，解决了全自主海底油气管检测机器人对超长距离海底油气管道腐蚀缺陷的精确定位问题。INS/DVL能够进行短时间的精确定位，在长航时条件下，由于INS的常值漂移、DVL信号检测噪声和DVL失速现象，导致海底油气管检测时位置不准确，由于海底油气管制造时长度固定，检测机器人搭载漏磁传感器能够准确检测油气管道之间焊接节点，对海底管道进行扫描并标记海底油气管节点位置，并以海底油气管节点位置作为路标信息，当海底油气管检测机器人运动到海底油气管节点位置时悬停，进行零速修正，提高系统的导航定位精度。本发明为海底油气管检测机器人完成长航时、长航程作业提供保障，也为水下无人航行长航时精确导航提供了借鉴和解决方案。
以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算。惯性导航系统(INS)是自主导航，具有隐蔽性好、数据率高及导航参数全面等优点，但是其导航定位误差会随着时间推移而不断增大。多普勒计程仪(DVL)能提供载体相对于声学反向散射源的速度矢量信息，但是该声呐设备的测量距离是有限的。将INS，DVL的导航信息进行综合处理，即INS/DVL组合导航系统，该系统是一种速度组合的模式，能够获得高精度的速度信息，但是在长航时、长航程条件下，其位置误差仍随时间增长，会导致海底油气管检测时定位不准确。因此，需要对INS/DVL导航系统进行误差修正。全自主海底油气管检测机器人能够在海水中实现悬停，可以在没有外界导航设备的情况下独立地实现自我修正，从而完成对惯导误差的抑制，提高系统的导航定位精度，为海底油气管检测机器人完成长航时、长航程作业提供保障。
实现本发明采用的技术方案是：
基于海底油气管节点位置路标辅助的INS/DVL导航系统误差修正方法包括下列步骤：
步骤1：海底油气管检测机器人搭载漏磁传感器对海底管道进行扫描；结合非接触式金属磁记忆技术，识别海底油气管节点，在水面船的辅助下精确标记海底油气管节点位置的地理坐标。
步骤2：当海底油气管检测机器人运动到海底油气管节点位置时悬停，进行水下零速修正，完成海底油气管检测机器人的位置修正，抑制位置误差的发散。
步骤3：以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算，当海底油气管检测机器人检测到海底油气管腐蚀等缺陷时，记录缺陷的精确位置信息，为海底油气管检测和维护提供保障。
对于海底油气管检测机器人的INS/DVL组合导航定位系统，选择INS的状态向量为：
X＝[δL δλ δVE δVN φe φn φu]T
其中φe,φn,φu分别是INS的东向、北向、天向轴失准角；δVE,δVN分别是东向、北向轴速度误差；δL,δλ分别是纬度、经度误差；。
对惯导的一般误差方程进行适当简化，得到：
Figure BDA0002225503170000041
Figure BDA0002225503170000043
Figure BDA0002225503170000044
Figure BDA0002225503170000045
Figure BDA0002225503170000046
其中ωie为地球的自转角速度；R为地球的半径。
则系统的状态方程为：
Figure BDA0002225503170000048
其中，F、G分别是系统的状态向量系数矩阵和噪声向量系数矩阵；W是系统噪声，并且有W＝[▽E ▽N εx εy εz]，其中▽E、▽N为加速度计的噪声；εx、εy、εz为陀螺的噪声。
海底油气管检测机器人在海底油气管节点位置悬停，将此时INS测量的位置数据与海底油气管节点位置数据进行比较得到INS位置误差，将该误差作为惯导姿态误差估计的量测值，即：
Zp＝[δλ,δL]T
则系统的量测方程为：
Zp＝Hp+Vp
其中，系数矩阵Hp＝[I2 02×5]，量测噪声Vp＝[vp1 vp2]T。
海底油气管检测机器人不需要上浮至水面，只需在工作状态下间歇悬停，就可以方便地利用零速修正方法完成位置修正，延长水下作业时间，保障海底油气管检测机器人的作业效率，是一种低成本并且有效的方法。

Claims (2)

1.基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法，其特征在于，包括：
步骤一：海底油气管检测机器人搭载漏磁传感器对海底管道进行扫描；结合非接触式金属磁记忆技术，识别海底油气管节点，在水面船的辅助下精确标记海底油气管节点位置的地理坐标；
步骤二：当海底油气管检测机器人运动到海底油气管节点位置时悬停，进行水下零速修正，完成海底油气管检测机器人的位置修正，抑制位置误差的发散；
步骤三：以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算，当海底油气管检测机器人检测到海底油气管腐蚀等缺陷时，记录缺陷的精确位置信息，为海底油气管检测和维护提供保障。
2.根据权利要求1所述的基于海底油气管节点位置的组合导航系统误差修正方法，其特征在于：所述的步骤三中以INS/DVL组合的方式进行海底油气管检测机器人的组合导航定位解算具体包括：
INS的状态向量为：
X＝[δL δλ δVE δVN φe φn φu]T
其中φe、φn、φu分别是INS的东向、北向、天向轴失准角；δVE、δVN分别是东向、北向轴速度误差；δL、δλ分别是纬度、经度误差；
海底油气管检测机器人的INS/DVL组合导航定位系统的状态方程为：
Figure FDA0002225503160000011
其中F、G分别是系统的状态向量系数矩阵和噪声向量系数矩阵；W是系统噪声；
W＝[▽E ▽N εx εy εz]
其中▽E、▽N为加速度计的噪声；εx、εy、εz为陀螺的噪声；
海底油气管检测机器人在海底油气管节点位置悬停，将此时INS测量的位置数据与海底油气管节点位置数据进行比较得到INS位置误差，将该误差作为惯导姿态误差估计的量测值；所述的惯导姿态误差估计的量测值的表达式为：
Zp＝[δλ,δL]T
系统的量测方程为：
Zp＝Hp+Vp
其中系数矩阵Hp＝[I2 02×5]，量测噪声Vp＝[vp1 vp2]T。
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