CN111854747A - 一种载体大机动情况下的dvl辅助sins粗对准方法 - Google Patents

一种载体大机动情况下的dvl辅助sins粗对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，包括：首先初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；其次，根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；然后，在DVL发射t1时刻初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息；在DVL接收t2时刻更新矩阵
Figure 300137DEST_PATH_IMAGE002
，并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息；再采用校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；最后，重复步骤S2到S5直至对准过程结束。本发明能有效地提高SINS/DVL组合导航系统在大机动情况下粗对准的收敛速度与精度。

Description

一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法
技术领域
本发明涉及一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，属于组合导航对准技术，特别适用于水下组合导航领域。
背景技术
为利用丰富的海洋资源，海洋勘探成为人类发展的必修课题。水下导航系统作为探测海洋的核心技术，决定着水下任务的有效进行。SINS(即：捷联惯性导航系统)/DVL(即：多普勒测速仪)组合导航凭借其高自主性和抗干扰性，逐渐成为最常用的水下组合导航方式。SINS/DVL组合导航系统中，粗对准通过计算粗略的姿态信息，为精对准和后续导航提供初始姿态信息，是组合导航的首要任务。
现有技术中对SINS/DVL组合导航系统的粗对准方法主要集中于载体低动态情况，未考虑载体大机动情况下由姿态和速度变化引入的DVL测速误差。该误差会大幅降低粗对准速度与精度指标。为了提高SINS/DVL粗对准速度与精度，亟需提出一种适用于载体大机动情况的粗对准方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，能有效地提高SINS/DVL组合导航系统在大机动情况下粗对准的收敛速度与精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，包括如下步骤：
S1：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；
S2：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；
S3：在DVL发射t1时刻初始化
Figure BDA0002647842910000011
为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息；
S4：在DVL接收t2时刻更新矩阵
Figure BDA0002647842910000012
并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息；
S5：采用步骤S4中校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；
S6：重复步骤S2到S5直至对准过程结束。
优选的，所述步骤S1具体包括以下过程：
初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：
Figure BDA0002647842910000021
Figure BDA0002647842910000022
Figure BDA0002647842910000023
其中，
Figure BDA0002647842910000024
为n系到n0系的转换矩阵，
Figure BDA0002647842910000025
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure BDA0002647842910000026
为姿态矩阵，I为单位阵。
优选的，所述步骤S2具体包括以下过程：
根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：
Figure BDA0002647842910000027
其中，Vb和
Figure BDA0002647842910000028
为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，
Figure BDA0002647842910000029
为b系下地球旋转矢量，
Figure BDA00026478429100000210
为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。
优选的，所述步骤S3具体包括以下过程：
在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵
Figure BDA00026478429100000211
为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA00026478429100000212
优选的，所述步骤S4具体包括以下过程：
在DVL接收t2时刻更新b2系到b1系的转换矩阵
Figure BDA00026478429100000213
并记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA00026478429100000214
以校正DVL测速信息：
S4.1根据SINS中陀螺输出角速度信息更新矩阵
Figure BDA00026478429100000215
Figure BDA00026478429100000216
其中，
Figure BDA00026478429100000217
和
Figure BDA00026478429100000218
为b2系到b1系的转换矩阵及其导数，
Figure BDA00026478429100000219
为陀螺输出角速度信息，[×]为反对称阵；
S4.2记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA00026478429100000220
S4.3用步骤S3中的
Figure BDA00026478429100000221
步骤S4.1中的
Figure BDA00026478429100000222
及步骤S4.2中的
Figure BDA00026478429100000223
校正DVL测速信息：
Figure BDA00026478429100000224
其中，Vb(t)为校正后的DVL测速信息，
Figure BDA00026478429100000225
为DVL接收t2时刻b2系下的DVL速度，c为超声波波速，f0为DVL超声波信号发射频率。
Figure BDA00026478429100000226
为DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息，
Figure BDA00026478429100000227
为DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息，A为DVL转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3Δf4]T为DVL四轴向频移信息。
优选的，所述步骤S5具体包括以下过程：
采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：
S5.1采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure BDA0002647842910000031
Figure BDA0002647842910000032
其中，α为参考矢量，β为观测矢量，Vb(0)为初始时刻DVL测速信息；
S5.2采用最优基四元数法构建K矩阵：
Figure BDA0002647842910000033
Figure BDA0002647842910000034
Figure BDA0002647842910000035
其中，K(t)为K矩阵；
S5.3求K矩阵的最小特征值，即初始姿态最优四元数
Figure BDA0002647842910000036
并计算初始姿态矩阵：
Figure BDA0002647842910000037
其中，
Figure BDA0002647842910000038
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure BDA0002647842910000039
对应元值；
S5.5计算姿态矩阵：
Figure BDA00026478429100000310
其中，
Figure BDA00026478429100000311
为b0系到b系的转换矩阵。
优选的，所述步骤S6具体包括以下过程：
重复步骤S2到S5直至对准过程结束。
本发明的有益效果是：
本发明利用SINS输出姿态与速度信息对DVL测速误差进行建模与补偿，提高了粗对准的速度与精度。
附图说明
图1为本发明的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法原理图；
图2为本发明的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明所述的一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，实现原理如图1所示，实验流程如图2所示。其流程主要包括以下步骤：
步骤S1，初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵。
在载体进入初始对准过程时，未定义转换矩阵及姿态矩阵，需对其进行初始化。
具体包括以下过程：
初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：
Figure BDA0002647842910000041
Figure BDA0002647842910000042
Figure BDA0002647842910000043
其中，
Figure BDA0002647842910000044
为n系到n0系的转换矩阵，
Figure BDA0002647842910000045
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure BDA0002647842910000046
为姿态矩阵，I为单位阵。
步骤S2，根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程。
在SINS更新过程中，采用比力方程更新速度。
具体包括以下过程：
根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：
Figure BDA0002647842910000047
其中，Vb和
Figure BDA0002647842910000048
为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，
Figure BDA0002647842910000049
为b系下地球旋转矢量，
Figure BDA00026478429100000410
为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。
步骤S3，在DVL发射t1时刻初始化
Figure BDA00026478429100000411
为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息。
由于上一次更新后的
Figure BDA00026478429100000412
为上一周期b2系到b1系的转换矩阵，为求当前周期b2系到b1系的转换矩阵需对其进行初始化，并重新记录当前周期对应的DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA00026478429100000413
具体包括以下过程：
在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵
Figure BDA00026478429100000414
为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA0002647842910000051
步骤S4，在DVL接收t2时刻更新矩阵
Figure BDA0002647842910000052
并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息。
SINS/DVL组合导航系统粗对准的关键问题是t时刻与0时刻机体速度精度问题。DVL通过发射和接收信号的频差来测量相对速度。Janus结构中，DVL速度与DVL波束速度的关系为：
Figure BDA0002647842910000053
其中，
Figure BDA0002647842910000054
为DVL波束速度，α为波束倾角，
Figure BDA0002647842910000055
为DVL速度。
载体小机动情况下，发射与接收时刻的DVL速度、DVL波束速度不变，可认为是常值。然而，在载体大机动情况下，发射与接收时刻的DVL速度、DVL波束速度变化，应对其进行区分。
定义发射t1时刻DVL波束速度为：
Figure BDA0002647842910000056
其中，
Figure BDA0002647842910000057
为发射t1时刻DVL波束速度，A为DVL转换矩阵，
Figure BDA0002647842910000058
为发射t1时刻DVL速度。
定义接收t2时刻DVL波束速度为：
Figure BDA0002647842910000059
其中，
Figure BDA00026478429100000510
为接收t2时刻DVL波束速度，A为DVL转换矩阵，
Figure BDA00026478429100000511
为接收t2时刻DVL速度。
用发射t1与接收t2时刻的DVL速度、DVL波束速度表示DVL四轴向频移信息：
Figure BDA00026478429100000512
其中，[Δf1 Δf2 Δf3 Δf]T为DVL四轴向频移信息，c为超声波波速，f0为DVL超声波信号发射频率。
载体小机动情况下，可直接用DVL输出速度计算载体速度，但载体大机动情况下，由于发射与接收时刻速度不同，不能直接计算，本发明创新性地通过SINS输出建立发射与接收时刻速度关系校正载体速度。
具体包括以下过程：
在DVL接收t2时刻更新b2系到b1系的转换矩阵
Figure BDA0002647842910000061
并记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA0002647842910000062
以校正DVL测速信息：
S4.1根据SINS中陀螺输出角速度信息更新矩阵
Figure BDA0002647842910000063
Figure BDA0002647842910000064
其中，
Figure BDA0002647842910000065
和
Figure BDA0002647842910000066
为b2系到b1系的转换矩阵及其导数，
Figure BDA0002647842910000067
为陀螺输出角速度信息，[×]为反对称阵；
S4.2记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure BDA0002647842910000068
S4.3用步骤S3中的
Figure BDA0002647842910000069
步骤S4.1中的
Figure BDA00026478429100000610
及步骤S4.2中的
Figure BDA00026478429100000611
校正DVL测速信息：
Figure BDA00026478429100000612
其中，Vb(t)为校正后的DVL测速信息，
Figure BDA00026478429100000613
为DVL接收t2时刻b2系下的DVL速度，c为超声波波速，f0为DVL超声波信号发射频率。
Figure BDA00026478429100000614
为DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息，
Figure BDA00026478429100000615
为DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息，A为DVL转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3Δf4]T为DVL四轴向频移信息。
步骤S5，采用步骤S4中校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息。
考虑载体坐标系下比力方程：
Figure BDA00026478429100000616
其中，Vb和
Figure BDA00026478429100000617
为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，
Figure BDA00026478429100000618
为b系下地球旋转矢量，
Figure BDA00026478429100000619
为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。
将其转换到b0系下：
Figure BDA00026478429100000620
其中，
Figure BDA00026478429100000621
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure BDA00026478429100000622
为b系下b系到i系的角速度。
对左式进行积分：
Figure BDA0002647842910000071
同时：
Figure BDA0002647842910000072
其中，
Figure BDA0002647842910000073
为n系到b0系的转换矩阵。
又有：
Figure BDA0002647842910000074
其中，
Figure BDA0002647842910000075
为n0系到b0系的转换矩阵。
得到：
Figure BDA0002647842910000076
根据该公式，本发明创造性地用校正后的DVL测速信息构造参考与观测矢量更新姿态信息。
具体包括以下过程：
采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：
S5.1采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure BDA0002647842910000077
Figure BDA0002647842910000078
其中，α为参考矢量，β为观测矢量，Vb(0)为初始时刻DVL测速信息；
S5.2采用最优基四元数法构建K矩阵：
Figure BDA0002647842910000079
Figure BDA00026478429100000710
Figure BDA00026478429100000711
其中，K(t)为K矩阵；
S5.3求K矩阵的最小特征值，即初始姿态最优四元数
Figure BDA00026478429100000712
并计算初始姿态矩阵：
Figure BDA0002647842910000081
其中，
Figure BDA0002647842910000082
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure BDA0002647842910000083
对应元值；
S5.5计算姿态矩阵：
Figure BDA0002647842910000084
其中，
Figure BDA0002647842910000085
为b0系到b系的转换矩阵。
步骤S6，重复步骤S2到S5直至对准过程结束。具体包括以下过程：
重复步骤S2到S5直至对准过程结束。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；
S2：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；
S3：在DVL发射t1时刻初始化
Figure FDA0002647842900000011
为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息；
S4：在DVL接收t2时刻更新矩阵
Figure FDA0002647842900000012
并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息；
S5：采用步骤S4中校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；
S6：重复步骤S2到S5直至对准过程结束。
2.根据权利要求1所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：
初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：
Figure FDA0002647842900000013
Figure FDA0002647842900000014
Figure FDA0002647842900000015
其中，
Figure FDA0002647842900000016
为n系到n0系的转换矩阵，
Figure FDA0002647842900000017
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure FDA0002647842900000018
为姿态矩阵，I为单位阵。
3.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下过程：
根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：
Figure FDA0002647842900000019
其中，Vb和
Figure FDA00026478429000000110
为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，
Figure FDA00026478429000000111
为b系下地球旋转矢量，
Figure FDA00026478429000000112
为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。
4.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下过程：
在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵
Figure FDA00026478429000000113
为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息
Figure FDA00026478429000000114
5.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下过程：
在DVL接收t2时刻更新b2系到b1系的转换矩阵
Figure FDA00026478429000000115
并记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure FDA0002647842900000021
以校正DVL测速信息：
S4.1根据SINS中陀螺输出角速度信息更新矩阵
Figure FDA0002647842900000022
Figure FDA0002647842900000023
其中，
Figure FDA0002647842900000024
和
Figure FDA0002647842900000025
为b2系到b1系的转换矩阵及其导数，
Figure FDA0002647842900000026
为陀螺输出角速度信息，[×]为反对称阵；
S4.2记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息
Figure FDA0002647842900000027
S4.3用步骤S3中的
Figure FDA0002647842900000028
步骤S4.1中的
Figure FDA0002647842900000029
及步骤S4.2中的
Figure FDA00026478429000000210
校正DVL测速信息：
Figure FDA00026478429000000211
其中，Vb(t)为校正后的DVL测速信息，
Figure FDA00026478429000000212
为DVL接收t2时刻b2系下的DVL速度，c为超声波波速，f0为DVL超声波信号发射频率，
Figure FDA00026478429000000213
为DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息，
Figure FDA00026478429000000214
为DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息，A为DVL转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息。
6.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下过程：
采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：
S5.1采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure FDA00026478429000000215
Figure FDA00026478429000000216
其中，α为参考矢量，β为观测矢量，Vb(0)为初始时刻DVL测速信息；
S5.2采用最优基四元数法构建K矩阵：
Figure FDA00026478429000000217
Figure FDA00026478429000000218
Figure FDA0002647842900000031
其中，K(t)为K矩阵；
S5.3求K矩阵的最小特征值，即初始姿态最优四元数
Figure FDA0002647842900000032
并计算初始姿态矩阵：
Figure FDA0002647842900000033
其中，
Figure FDA0002647842900000034
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure FDA0002647842900000035
对应元值；
S5.5计算姿态矩阵：
Figure FDA0002647842900000036
其中，
Figure FDA0002647842900000037
为b0系到b系的转换矩阵。
7.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下过程：
重复步骤S2到S5直至对准过程结束。
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