CN111735442A - 一种水下重力无源导航系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下重力无源导航系统，它由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪、深度计、数字重力异常图、3个计算机、数据采集处理平台和LCD显示组成。根据激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪和深度计信息，计算出重力无源导航系统的位置、速度、姿态和重力值。利用存储在计算机中的数字重力异常图，取相邻两点实测重力变化量与数字重力异常图上对应两点重力变化量差的平方和作为性能指标，进行相关计算，使性能指标最小的点位置为水下重力无源导航系统最优估计位置。本发明提供一种水下重力无源导航系统，它能够满足水下运载体长航时、高精度、低成本的导航需求。

Description

一种水下重力无源导航系统
技术领域
本发明涉及一种水下重力无源导航系统，属于组合导航技术领域。
背景技术
探索和开发海洋对沿海国家的经济发展和国家安全起着非常重要的作用，水下重力无源导航具有长航时、高精度和隐蔽性好的特点，受到各海洋大国的高度重视。上世纪80年代美国研制出含有通用重力敏感模块的无源导航系统，但是成本非常昂贵。随着惯性技术的迅猛发展，陀螺仪和加速度计的测量精度得到大幅度的提高，为了满足水下运载体长航时、高精度、低成本的导航需求，本发明提供了一种水下重力无源导航系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决水下运载体长航时、高精度、低成本的导航需求，提供了一种水下重力无源导航系统。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水下重力无源导航系统，包括激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪、深度计、数字重力异常图、3个计算机、数据采集处理平台以及LCD显示装置；所述的激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、电磁计程仪、深度计、计算机和数据采集处理平台组成水下组合导航系统，电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为水下组合导航系统的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下组合导航系统位置；所述的光纤陀螺捷联式重力仪、水下组合导航系统、计算机和数据采集处理平台和LCD显示装置组成水下重力测量系统；水下组合导航系统的位置信息、电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为水下重力测量系统的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下重力测量系统位置、速度、姿态、以及当地地理坐标系下的加速度计比力；对加速度计比力进行重力测量改正和低通滤波处理，得到当地重力值；所述的数字重力异常图存储在计算机中，取相邻两点实测重力变化量与数字重力异常图上对应两点重力变化量的差平方和作为性能指标，进行相关计算，使性能指标最小的点位置就是水下重力无源导航系统的最优估计位置。
作为本发明的一种改进，所述的3个计算机中，其中1个计算机进行水下组合导航系统的位置、速度和姿态计算，1个计算机进行水下重力测量系统的位置、速度、姿态和重力值计算，1个计算机存储重力异常图和进行水下重力无源导航系统的最优估计计算。
作为本发明的一种改进，所述的计算机采用FPGA+DSP+ARM架构。
有益效果
本发明公开一种水下重力无源导航系统，它由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪、深度计、数字重力异常图、3个计算机、数据采集处理平台和LCD显示组成。光纤陀螺捷联式重力仪、水下组合导航系统、计算机和数据采集处理平台和LCD显示组成水下重力测量系统；水下组合导航系统的位置信息、电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为水下重力测量系统的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下重力测量系统的位置、速度、姿态、以及当地地理坐标系下的加速度计比力；对加速度计比力进行重力测量改正和低通滤波处理，得到当地重力值。利用存储在计算机中的数字重力异常图，取相邻两点实测重力变化量与数字重力异常图上对应两点重力变化量的差平方和作为性能指标，进行相关计算，使性能指标最小的点位置就是水下重力无源导航系统的最优估计位置。本发明提供的一种水下重力无源导航系统能够满足水下运载体长航时、高精度、低成本的导航需求。
附图说明
图1为本发明的水下重力无源导航系统示意图；
图2为本发明的激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航算法流程图；
图3为本发明水下组合导航系统导航算法流程图；
图4为本发明水下重力测量系统算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。
本实施例公开了一种水下重力无源导航系统，由水下重力无源导航系统由激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪、深度计、数字重力异常图、3个计算机、数据采集处理平台和LCD显示组成，如图1所示。
激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统主要由三个90型二频机抖激光陀螺仪、三个高精度摆式挠性加速度计、转位机构和电路板等组成。
光纤陀螺捷联式重力仪主要由三个高精度光纤陀螺仪、三个高精度摆式挠性加速度计、精密温控装置和电路板等组成。
数据采集处理平台实时处理和存储激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、电磁计程仪、深度计、光纤陀螺捷联式重力仪的输出信息。
导航计算机采用FPGA+DSP+ARM架构，水下重力无源导航系统有3个计算机，一个计算机进行水下组合导航系统的位置、速度和姿态计算，1个计算机进行水下重力测量系统的位置、速度、姿态和重力值计算，1个计算机存储重力异常图和进行水下重力无源导航系统的最优估计计算。
激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统算法如图2所示。加速度计输出通过误差补偿后，经坐标转换从转位坐标系变换到载体坐标系，然后通过姿态转换变换到导航坐标系下，积分得到速度和位置；陀螺仪输出通过误差补偿后，经坐标转换从转位坐标系变换到载体坐标系，利用导航系旋转角速度和地球自转角速度，通过四元数算法得到姿态阵，最后得到姿态角。转位坐标系到载体坐标系的变换关系由转位机构旋转角度确定。
水下组合导航系统算法如图3所示。通过电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息，利用扩展卡尔曼滤波，估计出激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统的位置、速度和姿态误差，经误差补偿后得到水下组合导航系统的位置、速度和姿态。
水下重力测量系统导航算法如图4所示。通过水下组合导航系统的位置信息、电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息，利用扩展卡尔曼滤波，计算出水下重力测量系统的位置、速度、姿态、以及当地地理坐标系下的加速度计比力。
对加速度计比力进行重力测量改正，如厄特弗斯改正，零点漂移改正、滞后效应改正等，对改正后的数据进行Fir低通滤波处理，得到当地重力值。
水下重力测量系统实测重力值用gt表示，数字重力异常图上得到的重力值用gm表示。取相邻两点实测重力变化量与数字重力异常图上对应两点重力变化量差的平方和J(j)作为性能指标
Figure BDA0002543618260000031
其中，j表示第j路径，N表示点数。
对式(1)作相关极值计算，使式(1)最小的点轨迹为最优轨迹。最优轨迹点的位置就是水下重力无源导航系统的最优估计位置。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水下重力无源导航系统，其特征在于：包括激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、光纤陀螺捷联式重力仪、电磁计程仪、深度计、数字重力异常图、3个计算机、数据采集处理平台以及LCD显示装置；所述的激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航系统、电磁计程仪、深度计、计算机和数据采集处理平台组成水下组合导航系统，电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为水下组合导航系统的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下组合导航系统位置；所述的光纤陀螺捷联式重力仪、水下组合导航系统、计算机和数据采集处理平台和LCD显示装置组成水下重力测量系统；水下组合导航系统的位置信息、电磁计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为水下重力测量系统的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下重力测量系统位置、速度、姿态、以及当地地理坐标系下的加速度计比力；对加速度计比力进行重力测量改正和低通滤波处理，得到当地重力值；所述的数字重力异常图存储在计算机中，取相邻两点实测重力变化量与数字重力异常图上对应两点重力变化量的差平方和作为性能指标，进行计算，得到水下重力无源导航系统的最优估计位置。
2.根据权利要求1所述的一种水下重力无源导航系统，其特征在于：所述的3个计算机中，其中1个计算机进行水下组合导航系统的位置、速度和姿态计算，1个计算机进行水下重力测量系统的位置、速度、姿态和重力值计算，1个计算机存储重力异常图和进行水下重力无源导航系统的最优估计计算。
3.根据权利要求1所述的水下重力无源导航系统，其特征在于：所述的计算机采用FPGA+DSP+ARM架构。
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