CN111947682B - 一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及组合导航技术领域，特别涉及一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法。一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，所述的导航系统为惯性与多普勒组合导航系统，导航系统随载体航行运动，根据所述载体的实际航迹与所述导航系统输出的航迹，对多普勒进行参数标定。本技术方案通过动态标定，较现有技术更加准确地对多普勒安装偏角、刻度系数进行标定，提高水下导航系统组合导航精度。
Description
技术领域
本发明涉及组合导航技术领域，特别涉及一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法。
背景技术
在水下惯性+多普勒组合导航系统中，根据水下多普勒测速的原理，其安装偏角以及刻度系数误差会很大程度影响组合导航系统的精度，因此需要对这两个误差量进行标定，并将标定结果在组合导航算法中进行补偿，以达到修正组合精度的目的。
针对该问题，目前常用解决方法是静态测量。静态测量的方式虽然比较简单，但是测量精度较差，修正效果不够好，依然难以达到较高精度的组合导航标准。
发明内容
本发明解决的技术问题：提出一种多普勒安装偏角、刻度系数标定方法，以满足高精度水下惯性多普勒组合导航系统的需求。
本发明的技术方案：一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，所述的导航系统为惯性与多普勒组合导航系统，导航系统随载体航行运动，根据所述载体的实际航迹与所述导航系统输出的航迹，对多普勒进行参数标定。本技术方案通过动态标定，较现有技术更加准确地对多普勒安装偏角、刻度系数进行标定，提高水下导航系统组合导航精度。
优选地，所述的实际航迹为GPS参考航迹。本技术方案选择了GPS位置信息作为参考航迹，提高了标定的准确度，并且成本低，易于实现。
优选地，所述的多普勒标定参数包括多普勒的安装偏角αz，根据以下公式计算安装偏角αz：
其中，为实际航迹的航迹角，/>为所述导航系统输出航迹的航迹角。本技术方案给出了涉及的一个标定参数，并且给出了计算公式，提高了标定的可实施性，同时效率高，易于实现。
优选地，所述的多普勒标定参数包括多普勒的刻度系数κ，根据以下公式计算多普勒的刻度系数κ：
其中，L(PG1，PG2)为实际航迹的直线距离，L(PG1，PI2)为所述导航系统输出航迹的直线距离。本技术方案给出了涉及的一个标定参数，并且给出了计算公式，提高了标定的可实施性，同时效率高，易于实现。
优选地，所述载体的直线航行距离不小于5km。本技术方案给出了载体的航行距离，也是动态标定中的关键指标，进一步保证了标定的精确性。
优选地，所述的载体为直线航行。本技术方案给出了动态标定中，载体优选的运动轨迹，提高了标定精度，同时提高了标定效率。
优选地，所述的方法包括如下步骤：
打开惯性与多普勒组合导航模式；
载体航行，同时记录所述导航系统输出位置信息和实际位置信息；
计算实际航迹和所述导航系统输出航迹的航迹角；
计算实际航迹和所述导航系统输出航迹的直线距离；
对多普勒标定参数进行标定。本技术方案给出了标定的具体步骤，为标定工作提供了具体指导，提高了方案的可实施性。
优选地，载体航行水域满足多普勒工作深度要求。本技术方案给出了对标定水域的要求，指明了标定水域优选条件之一，提高了标定的精度。
附图说明
图1为本发明所述标定方法示意图；
图2为本发明所述方法标定过程变量示意图；
图3为航迹角计算方法示意图。
具体实施方式
一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，所述的导航系统为惯性与多普勒组合导航系统，导航系统随载体航行运动，根据所述载体的实际航迹与所述导航系统输出的航迹，对多普勒进行参数标定。
步骤1：选定标定水域
标定水域需要支持航行器进行5km的长直线航行，且在该区域内水深满足航行器所配备的多普勒使用深度要求。
步骤2：标定准备工作。
如图2所示，航行器从A点出发，到达标定水域起点B点，要求GPS信号以及多普勒数据同时有效，记录此时GPS位置信息PG1(L0,λ0,h0)
步骤3：进入标定过程。
如图2所示，在图中B点处控制自合导航系统转入惯性+多普勒组合导航模式，载体开始沿着直线航路直行5km到达标定终点，记录此时惯性+多普勒组合导航输出PI2(L2,λ2,h2)以及此时GPS位置信息PG2(L1,λ1,h1)。
其中航迹BC为GPS参考航迹，也是真实的航迹，航迹BD为惯性+多普勒组合输出的航迹。
步骤4：航迹角计算。
令为BC段航迹角，/>为BD段航迹角，根据航迹起始点和终点的经纬度关系将航迹角分为4类进行计算，如图3所示，按照如下公式进行计算，其中，M为图3中标出的(L1,λ1)与(L1,λ0)之间的距离，L为：M为图3中标出的(L1,λ1)与(L0,λ0)之间的距离，A为航迹角的大小。
①对于图3(a)中的情况，λ1≥λ0,L1>L0
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
②对于图3(b)中的情况，λ1<λ0,L1≥L0
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
③对于图3(c)中的情况，λ1≤λ0,L1<L0
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
④对于图3(d)中的情况，λ1>λ0,L1≤L0
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
同理，可按照以上方法计算BD段航迹角
步骤5：直线距离计算。
如图2中所示，令L(A,B)代表A、B两点之间的距离，计算图中PG1,PG2以及PG1,PI2之间距离：
L(PG1,PG2)＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
L(PG1,PI2)＝arccos(sinL0·sinL2+cosL0·cosL2·cos(λ2-λ0))RN
步骤6：标定参数计算。
根据步骤4-5的计算结果，计算标定参数。其中：κ为DVL的刻度系数，αz为DVL的安装偏角。
Claims (5)
1.一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，所述的导航系统为惯性与多普勒组合导航系统，其特征在于，导航系统随载体航行运动，根据所述载体的实际航迹与所述导航系统输出的航迹，对多普勒进行参数标定；
所述的方法包括如下步骤：
打开惯性与多普勒组合导航模式；
载体航行，同时记录所述导航系统输出位置信息和实际位置信息；
计算实际航迹和所述导航系统输出航迹的航迹角；
计算实际航迹和所述导航系统输出航迹的直线距离；
对多普勒标定参数进行标定；
步骤1：选定标定水域
标定水域需要支持航行器进行5km的长直线航行，且在该区域内水深满足航行器所配备的多普勒使用深度要求；
步骤2：标定准备工作
航行器从A点出发，到达标定水域起点B点，要求GPS信号以及多普勒数据同时有效，记录此时GPS位置信息PG1(L0,λ0,h0)
步骤3：进入标定过程
在B点处控制自合导航系统转入惯性+多普勒组合导航模式，载体开始沿着直线航路直行5km到达标定终点，记录此时惯性+多普勒组合导航输出PI2(L2,λ2,h2)以及此时GPS位置信息PG2(L1,λ1,h1)；
其中航迹BC为GPS参考航迹，也是真实的航迹，航迹BD为惯性+多普勒组合输出的航迹；
步骤4：航迹角计算
令为BC段航迹角，/>为BD段航迹角，根据航迹起始点和终点的经纬度关系将航迹角分为4类进行计算，按照如下公式进行计算，其中，M为标出的(L1,λ1)与(L1,λ0)之间的距离，L为标出的(L1,λ1)与(L0,λ0)之间的距离，A为航迹角的大小；
①当λ1≥λ0,L1>L0时
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
②当λ1<λ0,L1≥L0时
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
③当λ1≤λ0,L1<L0时
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
④当λ1>λ0,L1≤L0时
M＝arccos(sinL1·sinL1+cosL1·cosL1cos(λ1-λ0))RN
L＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
同理，可按照以上方法计算BD段航迹角；
步骤5：直线距离计算
令L(A,B)代表A、B两点之间的距离，计算PG1,PG2以及P G1,PI2之间距离：
L(PG1,PG2)＝arccos(sinL0·sinL1+cosL0·cosL1·cos(λ1-λ0))RN
L(PG1,PI2)＝arccos(sinL0·sinL2+cosL0·cosL2·cos(λ2-λ0))RN
步骤6：标定参数计算
根据步骤4-5的计算结果，计算标定参数，其中：κ为DVL的刻度系数，αz为DVL的安装偏角；
所述的多普勒标定参数包括多普勒的安装偏角αz，根据以下公式计算安装偏角αz：
其中，为实际航迹的航迹角，/>为所述导航系统输出航迹的航迹角；
所述的多普勒标定参数包括多普勒的刻度系数κ，根据以下公式计算多普勒的刻度系数κ：
其中，L(PG1，PG2)为实际航迹的直线距离，L(PG1，PI2)为所述导航系统输出航迹的直线距离。
2.根据权利要求1所述的一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，其特征在于，所述的实际航迹为GPS参考航迹。
3.根据权利要求1所述的一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，其特征在于，所述载体的直线航行距离不小于5km。
4.根据权利要求1所述的一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，其特征在于，所述的载体为直线航行。
5.根据权利要求1所述的一种应用于水下导航系统中的多普勒标定方法，其特征在于，载体航行水域满足多普勒工作深度要求。
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