CN112432642B - 一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统。该方法包括获取在当前海域下水下潜器的位置信息；根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差；根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差；根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差；根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值；根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正；根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位。本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统，提高导航定位的精确性。

Description

一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统
技术领域
本发明涉及水下潜器重力导航领域，特别是涉及一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统。
背景技术
惯性导航方法：利用陀螺仪和加速度计确定运载体位置、速度及姿态的一种导航系统。加速度计用于测量运载体相对惯性空间的加速度与引力加速度之差。陀螺仪用于稳定安装在平台上的加速度计，为加速度计的测量提供参考坐标系。
水下重力灯塔导航方法：从全球海洋重力异常图中筛选出特征明显的数据，构建重力灯塔数据库。通过艇载重力仪测量结果与重力灯塔进行相关分析，从而获取自身坐标并校正惯导系统。
传统的重力场潜艇导航方式为：潜艇上装载有惯性导航系统(主导航系统)和重力匹配导航系统(辅助导航系统)。潜艇以惯导指示的位置进行航行，当陀螺漂移误差随时间累积增长到超过一定阈值时，惯导指示结果失效，此时使用重力匹配系统获取自身位置，并以该位置为新起点，重置惯导后继续遵照惯导航行。潜艇整个航程不断重复上述过程，达到导航的目的。这种惯导与重力导航的联合应用模式其实是割裂的，二者的误差系统并没有综合考虑，仅仅只是将重力导航的输出值作为真值传递给失效惯导，除此之外没有数据交互，不是真正意义上的组合导航。且如果重力匹配结果有误，惯导没有得到准确的校正值，会加大整个联合导航系统的漂移误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统，提高导航定位的精确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法，包括：
获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度；
根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差；
根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差；
根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差；
根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值；
根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正；
根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位。
可选的，所述获取在当前海域下水下潜器的位置信息，之前还包括：
在当前海域下获取重力灯塔；
根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集。
可选的，所述在当前海域下获取重力灯塔，之后还包括：
获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差；
根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差和维度误差；
根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程。
可选的，所述根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值，具体包括：
根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，包括：
位置信息获取模块，用于获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度；
位置差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差；
深度值差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差；
速度差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差；
导航估计值确定模块，用于根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值；
惯性导航系统校正模块，用于根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正；
导航与定位模块，用于根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位。
可选的，还包括：
重力灯塔获取模块，用于在当前海域下获取重力灯塔；
位置信息采集模块，用于根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集。
可选的，还包括：
惯导误差模型获取模块，用于获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差；
重力灯塔匹配水平误差确定模块，用于根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差和维度误差；
融合导航系统状态方程确定模块，用于根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程。
可选的，所述导航估计值确定模块具体包括：
导航估计值确定单元，用于根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统，通过确定惯性导航系统分别与重力灯塔、深度仪以及里程计的差值，确定导航估计值，在对导航估计值进行扩展卡尔曼滤波，进而使重力灯塔匹配导航与惯性导航系统融合，使二者的应用模式不再割裂，从而能综合进行误差系统估计，大幅提升导航精度。并且多源观测设备的加入，提高了量测的准确性，从而大大提升了融合系统状态的最优估计精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法流程示意图；
图2为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法原理示意图；
图3为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法对应的融合导航系统结构示意图；
图4为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法及系统，提高导航定位的精确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法流程示意图，图2为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法原理示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法，包括：
S101，获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度；
S101之前还包括：
在当前海域下获取重力灯塔。
根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集，并如图3所示。
所述在当前海域下获取重力灯塔，之后还包括：
获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差。
根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差δLG和维度误差δBG。
根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程X。融合导航系统状态方程如下：
Figure BDA0002764532100000061
其中，
Figure BDA0002764532100000062
为惯导姿态误差，
Figure BDA0002764532100000063
为惯导速度误差，δL，δB，δH为惯导位置误差，εhx，εhy，εhz为陀螺常值漂移误差，
Figure BDA0002764532100000064
为加速度计常值误差，δLG，δBG为重力灯塔匹配水平误差，t为航行时间。
融合导航系统状态方程
Figure BDA0002764532100000065
是X的估值，
Figure BDA0002764532100000066
F(t)为系统状态矩阵，G(t)为系统噪声驱动阵，W(t)为系统白噪声。
Figure BDA0002764532100000067
Figure BDA0002764532100000068
W＝(wgx，wgy，wgz，wrx，wry，wrz，wnx，wny，wnz，wNL，wNB)T。
wgx，wgy，wgz为陀螺白噪声漂移误差，wrx，wry，wrz为陀螺一阶马尔可夫漂移误差，wnx，wny，wnz为加速度计误差，wNL，wNB为重力灯塔匹配的白噪声，M为系数矩阵。
Figure BDA0002764532100000069
Figure BDA0002764532100000071
Figure BDA0002764532100000072
Figure BDA0002764532100000073
其中，RM为地球参考椭球子午圈上的各点曲率半径，RM＝Re(1-2f+3fsin2L)，RN为地球参考椭球卯酉圈上的各点曲率半径，RN＝Re(1+fsin2L)，Re＝6378137m，f＝1/298.257(地球椭圆体扁率)，β＝0.23271×10-4+0.527094×10-2，β1＝0.23271×10-4/4，β2＝0.3086×10-5，L为惯导系统显示潜艇所在的纬度，e为地球直角坐标系，b为载体坐标系，n为IMU导航坐标系，i为地心惯性参考系，
Figure BDA00027645321000000711
为导航计算机给出的捷联矩阵。
F(t)中
Figure BDA0002764532100000074
Figure BDA0002764532100000075
为导航系计算误差，Mav＝M2。
Figure BDA0002764532100000076
Figure BDA0002764532100000077
为加速度计测量误差的反对称阵，
Figure BDA0002764532100000078
Figure BDA0002764532100000079
为地球自转角速度误差，
Figure BDA00027645321000000710
为导航系旋转计算误差，Mvp＝(vn×)2M1+M3)+M4，Map＝M1+M3。
Figure BDA0002764532100000081
Figure BDA0002764532100000082
重力匹配导航的误差通常由重力传感器测量误差、数字重力图制作误差、厄特弗斯效应估计误差以及重力匹配算法误差等因素所引起。由于影响因素复杂，在组合导航设计中不宜对重力匹配导航的各种误差逐一进行建模，但可以采用Box-Jenkins时间序列分析技术，对重力匹配导航实测数据的随机误差进行模型辨识。通过辨识发现，重力匹配导航的随机误差是一个非平稳的随机过程，因此其可以表示为一个随机游走和白噪声的组合，即重力匹配导航系统的误差模型为：
δLG＝NL+ωL；
NL＝ωNL；
δλG＝NA+ωA；
NA＝ωNA。
式中，δLG，δλG分别为重力匹配导航的纬、经度误差，NL，NA为随机游走，ωL，ωNL，ωA，ωNA为零均值的白噪声。
S102，根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差Z1。
Z1＝(LS-LG，BS-NG)T。其中，LS，BS为惯导输出的水下潜器的经度、纬度，LG，BG为重力灯塔匹配输出的潜艇经度、纬度。
S103，根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差Z2。
Z2＝(hS-hD)。
S104，根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差Z3。
Z3＝(VS-VL)。
S105，根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值。
Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)；
Figure BDA0002764532100000091
其中，H(t)为量测矩阵，V(t)为观测噪声。
S105具体包括：
根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
具体的过程为：
(1)建立滤波方程
Figure BDA0002764532100000092
(2)建立预测方程
Figure BDA0002764532100000093
(3)建立增益矩阵
Figure BDA0002764532100000094
(4)建立预测误差协方矩阵
Figure BDA0002764532100000095
(5)建立滤波误差协方矩阵
Pk＝[I-KkHk]Pk，k-1。
S106，根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正。
S107，根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位。
图4为本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统结构示意图，如图4所示，本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，包括：
位置信息获取模块401，用于获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度。
位置差确定模块402，用于根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差。
深度值差确定模块403，用于根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差。
速度差确定模块404，用于根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差。
导航估计值确定模块405，用于根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值。
惯性导航系统校正模块406，用于根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正。
导航与定位模块407，用于根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位。
本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，还包括：
重力灯塔获取模块，用于在当前海域下获取重力灯塔。
位置信息采集模块，用于根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集。
本发明所提供的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，还包括：
惯导误差模型获取模块，用于获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差。
重力灯塔匹配水平误差确定模块，用于根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差和维度误差。
融合导航系统状态方程确定模块，用于根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程。
所述导航估计值确定模块405具体包括：
导航估计值确定单元，用于根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法，其特征在于，包括：
获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度；
根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差；
根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差；
根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差；
根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值；
根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正；
根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位；
所述获取在当前海域下水下潜器的位置信息，之前还包括：
在当前海域下获取重力灯塔；
根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集；
所述在当前海域下获取重力灯塔，之后还包括：
获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差；
根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差和维度误差；
根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程；
利用以下公式确定重力灯塔匹配水平误差：
δLG＝NL+ωL；
NL＝ωNL；
δλG＝NA+ωA；
NA＝ωNA；
其中，δLG，δλG分别为重力匹配导航的纬、经度误差，NL和NA为随机游走，ωL、ωNL、ωA、ωNA为零均值的白噪声。
2.根据权利要求1所述的一种重力灯塔与惯性导航融合定位方法，其特征在于，所述根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值，具体包括：
根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
3.一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，其特征在于，包括：
位置信息获取模块，用于获取在当前海域下水下潜器的位置信息；所述位置信息包括惯性导航系统输出的位置坐标、重力灯塔匹配位置坐标、惯性导航系统输出的深度值、深度仪输出的深度值、惯性导航系统输出的速度以及里程计输出的速度；
位置差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的位置坐标和所述重力灯塔匹配位置坐标确定位置差；
深度值差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的深度值和所述深度仪输出的深度值确定深度值差；
速度差确定模块，用于根据所述惯性导航系统输出的速度以及所述里程计输出的速度确定速度差；
导航估计值确定模块，用于根据所述位置差、所述深度值差以及所述速度差，采用扩展卡尔曼滤波确定导航估计值；
惯性导航系统校正模块，用于根据所述导航估计值实时对所述惯性导航系统进行校正；
导航与定位模块，用于根据校正后的惯性导航系统进行所述水下潜器的导航与定位；
重力灯塔获取模块，用于在当前海域下获取重力灯塔；
位置信息采集模块，用于根据所述重力灯塔进行航行，并采用所述惯性导航系统、重力仪、深度仪以及里程计进行所述位置信息的采集；
惯导误差模型获取模块，用于获取惯导误差模型；所述惯导误差模型包括惯导姿态误差、惯导速度误差、惯导位置误差、陀螺常值漂移误差以及加速度计常值误差；
重力灯塔匹配水平误差确定模块，用于根据所述重力灯塔与所述惯性导航系统确定所述重力灯塔匹配水平误差；所述重力灯塔匹配水平误差包括经度误差和维度误差；
融合导航系统状态方程确定模块，用于根据所述惯导误差模型和所述重力灯塔匹配水平误差确定融合导航系统状态方程；
利用以下公式确定重力灯塔匹配水平误差：
δLG＝NL+ωL；
NL＝ωNL；
δλG＝NA+ωA；
NA＝ωNA；
其中，δLG，δλG分别为重力匹配导航的纬、经度误差，NL和NA为随机游走，ωL、ωNL、ωA、ωNA为零均值的白噪声。
4.根据权利要求3所述的一种重力灯塔与惯性导航融合定位系统，其特征在于，所述导航估计值确定模块具体包括：
导航估计值确定单元，用于根据所述位置差、所述深度值差和所述速度差以及所述融合导航系统状态方程，采用扩展卡尔曼滤波，确定导航估计值。
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