CN111323050A - 一种捷联惯导和多普勒组合系统标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种捷联惯导和多普勒组合系统标定方法,包括:步骤一:构建捷联惯导/GPS组合系统,并计算组合导航系统在载体系下速度,同步获取多普勒输出的多普勒坐标系下速度。步骤二:构建捷联惯导/多普勒大安装偏差角及刻度系数误差的模型。步骤三:构建捷联惯导/多普勒安装偏差角及刻度系数误差的相关系统方程及量测方程。步骤四:利用卡尔曼滤波对安装偏差状态量及刻度系数误差进行估计,完成标定任务。本发明适用于SINS/DVL组合导航系统任意未知安装偏差角条件下的标定方法,具有较高的工程应用价值,利用SINS/GPS组合导航的速度作为参考速度,同时利用卡尔曼滤波技术进行状态估计,标定结果精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种捷联惯导和多普勒组合系统标定方法,属于导航技术领域。
背景技术
随着对海洋的发展与探索,自主水下潜航器在各种海洋应用领域的日益普及,高精度导航是航行器能够完成任务的前提保障,所以导航技术至关重要。捷联惯导系统(SINS)以其充分的自主性、短时高精度、良好的隐蔽性成为水下航行器的首选。但由于惯性装置的误差,导航定位误差随时间积累,不能单独完成长时间的导航。单个导航系统由于自身的一些缺陷与不足,已经不能满足高可靠性、高精度的导航需求。组合导航系统结合其他辅助导航和有效的信息融合技术,不仅可以互相借鉴长处,而且可以发挥各自的优势,提高导航精度。因此,综合各导航方式优点的组合导航系统已成为水下航行器的主要导航方式。水下环境中全球定位系统(GPS)功能受限制不能正常使用,捷联惯导/多普勒测速仪(DVL)组合导航是水下航行器更好的导航方式,由于DVL的安装及性能要求,通常DVL所在坐标系与捷联惯导坐标系之间存在安装偏差角,同时DVL自身存在一定的刻度系数误差,如果不对这些参数进行校正将会直接影响导航定位的精度。
目前多采用滤波或最小二乘方法,使用SINS/GPS组合导航系统输出信息来对安装偏差角及刻度系数进行标定,其模型均仅适用于小角度的安装偏差角,当安装偏差角并不是小角度时,偏差角将不能够充分估计,其校正结果将导致导航定位效果变差。
发明内容
针对上述现有技术,本发明要解决的技术问题是提供一种适用于SINS/DVL组合导航系统任意未知安装偏差角条件下的捷联惯导和多普勒组合系统标定方法。
为解决上述技术问题,本发明的一种捷联惯导和多普勒组合系统标定方法,包括以下步骤:
捷联惯导和GPS组合导航系统载体系下速度为:
其中,vn是捷联惯导和GPS组合导航系统导航系下速度矢量,vb是所述载体系下速度矢量;
步骤二:构建捷联惯导和多普勒大安装偏差角及刻度系数误差模型;
步骤三:构建捷联惯导和多普勒安装偏差角及刻度系数误差的系统模型及量测模型;
本发明还包括:
1.步骤二中捷联惯导和多普勒大安装偏差角及刻度系数误差模型具体为:
2.步骤三中捷联惯导和多普勒安装偏差角及刻度系数误差的系统模型具体为:
多普勒测速仪与载体为固联关系,安装偏差角和刻度系数为常值,系统模型为:
所述量测模型为:
本发明的有益效果:本发明以SINS/DVL组合导航误差模型为基础,考虑SINS/DVL组合导航安装偏差为任意角度时,利用坐标系转换关系的四元数描述方式对安装偏差进行建模,利用卡尔曼滤波技术进行状态估计,实现一种适用于SINS/DVL组合导航系统任意未知安装偏差角条件下的标定方法。
本发明的优点体现在:
本发明是一种适用于SINS/DVL组合导航系统任意未知安装偏差角条件下的标定方法,具有较高的工程应用价值。
本发明利用SINS/GPS组合导航的速度作为参考速度,标定结果精度高。
本发明利用卡尔曼滤波技术进行状态估计,与现有的解析计算方法标定精度高。
附图说明
图1是本发明实例中的SINS/DVL安装偏差说明图。
图2是本发明实例中所述仿真安装偏差标定结果图。
图3是本发明实例中所述仿真刻度系数标定结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
如图1所示,本发明涉及的坐标系有:SINS/GPS组合导航坐标系b(o-xyz),DVL坐标系d(o-abc)及导航坐标系n(东-北-天)。
步骤一:SINS/GPS组合导航系统完成对准,并保持航行器在运动状态,采集DVL速度信息输出vd及SINS/GPS组合导航系统的速度vn和姿态,利用捷联惯导/GPS组合导航系统输出的姿态信息求解捷联矩阵,并将导航系下速度转换至载体系,获得捷联惯导/GPS组合导航系统在载体系下速度;
进一步,SINS/GPS组合导航系统载体系下速度根据以下公式(2)推算:
其中,vn是捷联惯导/GPS组合导航系统导航系下速度矢量,vb是所述载体系下速度矢量。
步骤二:构建SINS/DVL大安装偏差角及刻度系数误差的模型。采用四元数描述载体系与DVL坐标系之间的安装偏差关系,通常SINS与DVL之间杆臂可以测量并补偿,所以在模型中忽略杆臂的影响。所述步骤二中捷联惯导/多普勒大安装偏差角及刻度系数误差的模型为以下公式(3):
步骤三:构建SINS/DVL安装偏差角及刻度系数误差的相关系统方程及量测方程。因为DVL与载体的固联关系,安装偏差角通常为常值,同时认为刻度系数也为常值。所述步骤三中系统模型为下公式(4):
所述步骤三中量测模型为下公式(5):
仿真验证:
仿真条件:惯性测量单元参数如下:陀螺常值漂移0.01°/h,随机游走系数为加速度计常值偏置100μg,随机游走系数为10μg;采样时间间隔为100ms,刻度系数误差为0.01,x、y、z轴向安装偏差角为分别是2°、1°、40°,多普勒输出频率为1Hz,仿真前1200s为对准阶段,使SINS/GPS组合导航系统进入稳定状态仿真时间设置为3600s,行驶速度为8m/s。仿真结果如下:
图2、图3为所述方法标定的仿真结果,图2为安装偏差角标定结果图,图3为刻度系数误差标定结果图,其中虚线为仿真设定的真实值,实线为所提出方法估计的参数值。图中可以看出刻度系数估计误差在0.0005以内,z轴向安装偏差在0.1°以内,x轴、y轴安装偏差误差为0.2°以内,但收敛速度较慢,这是因为仿真条件下航行器仅在在水平面运动,造成x轴、y轴向的安装偏差可观测度略差。仿真结果说明了所提出标定方法具有较高的标定精度。
本发明具体实施方式还包括:
本发明提供一种新的捷联惯导/多普勒组合系统标定方法,通过对捷联惯导/多普勒组合系统误差进行精确建模。利用卡尔曼滤波算法估计捷联惯导和多普勒的安装偏差角及多普勒刻度系数误差。具体包括以下步骤:
步骤一:构建捷联惯导/GPS组合系统,并计算组合导航系统在载体系下速度,同步获取多普勒输出的多普勒坐标系下速度,所述载体在标定时间具有位移量,多普勒速度输出与捷联惯导/GPS组合导航系统速度、姿态信息同步输出。利用捷联惯导/GPS组合导航系统输出的姿态信息求解捷联矩阵,并将导航系下速度转换至载体系,获得捷联惯导/GPS组合导航系统在载体系下速度。
步骤二:构建捷联惯导/多普勒大安装偏差角及刻度系数误差的模型。
步骤三:构建捷联惯导/多普勒安装偏差角及刻度系数误差的相关系统方程及量测方程。
步骤四:利用卡尔曼滤波对安装偏差状态量及刻度系数误差进行估计,完成标定任务。
Claims (3)
1.一种捷联惯导和多普勒组合系统标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
捷联惯导和GPS组合导航系统载体系下速度为:
其中,vn是捷联惯导和GPS组合导航系统导航系下速度矢量,vb是所述载体系下速度矢量;
步骤二:构建捷联惯导和多普勒大安装偏差角及刻度系数误差模型;
步骤三:构建捷联惯导和多普勒安装偏差角及刻度系数误差的系统模型及量测模型;
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