CN113483786B - 一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法 - Google Patents

一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明介绍了一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法，其包括：采用无人潜航器水面往返直线航路设计，对比内置导航设备与外置无线授信设备记录测点信息，建立波束坐标系、载体坐标系与地理坐标系下速度、航向角度与坐标基准误差角度的关联解析式，细分测试出无人潜航器导航定位系统的初始定位误差、多普勒计程仪和惯性导航设备坐标基准误差，惯性导航设备漂移误差比率等量化值，解决了无人潜航器导航定位系统多种误差量化评估手段不足的工程难题，为进一步针对性改善无人潜航器导航定位性能提供了技术支撑。

Description

一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法
技术领域
本发明属于水中兵器导航定位技术领域，主要是一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法。
背景技术
目前国内外水下航行器AUV已经发展出多种水下导航定位技术，有全球无线、组合惯导、水声导航、地形地貌匹配和地磁匹配等，其中尤以组合惯导在无人潜航器中应用最为广泛。
组合惯导主要以惯导设备和多普勒计程仪组合使用，定位误差源主要由仪表刻度和零位误差、漂移误差、坐标基准误差，初始定位误差等组成。仪表刻度和零位误差必须通过设备出厂硬软件标定已降到最低，初始定位误差受限于全球无线提供的定位精度，漂移误差来源于设备内部软硬件解算能力，坐标基准误差来源于设备机械结构适配公差导致的多普勒计程仪的波束坐标系、平台载体坐标系、惯导仪器地理坐标系之间不能基准契合。
目前，组合惯导设备经过标定出厂后，会直接集成到无人潜航器平台上进行使用，初始定位误差、基准安装误差、漂移误差相互交织，统统被归入导航定位误差。由于缺乏导航定位性能多种误差量化测试评估方法，成为制约AUV导航定位性能提升的实际工程难点之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决无人潜航器导航定位系统多种误差量化评估手段不足的问题，提出一种无人潜航器导航定位系统残余误差测试方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法，采用无人潜航器水面往返直线航路设计，对比内置导航设备与外置无线授信设备记录测点信息，建立波束坐标系、载体坐标系与地理坐标系下速度、航向角度与坐标基准误差角度的关联解析式，细分测试出无人潜航器导航定位系统的初始定位误差、坐标基准误差，漂移误差比率量化值，为进一步针对性改善导航定位性能提供了技术支撑。
具体步骤如下：
步骤1：在水面环境测试中，设计若干静态测试点，分别获取各静态测试点处记录的多次无线授信位置值，计算静态测试点偏离距离均方根后对所有静态测试点偏离距离均方根求取几何平均值，获得无人潜航器初始定位误差ΔS。
步骤2：在水面环境测试中，设计往返等距离匀速直航测线，全程由平台内置组合导航进行航路控制，全程记录多普勒计程仪输出速度分量值、组合导航航位推算值和平台外置无线授信位置。当侧流影响极小时，多普勒计程仪输出前向速度值为Vy＝V×cos(α)，输出右向速度值为Vx＝V×sin(α)，得到tan(α)＝Vx/Vy，获得多普勒计程仪的基准安装误差α。当侧流影响不可忽视时，定义水流与航行方向的夹角为β，往返测线下的多普勒计程仪输出分量如下：
Vx_1＝V×sin(α+β)；Vy_1＝V×cos(α+β)；
Vx_2＝V×sin(α-β)；Vy_2＝V×cos(α-β)；
得到：Vx_1/Vy_1＝tan(α+β)；Vx_2/Vy_2＝tan(α-β)；
采用记录的多普勒计程仪输出速度分量值，获得α+β、α-β的计算样本数值，统计得到多普勒计程仪基准安装误差α。
步骤3：惯性导航存在基准安装误差可等效为通过平台载体坐标系向地理坐标系投影时改变平台航向角度θ，惯性导航存在的漂移误差可比拟为随航行里程线性增加经纬度漂移误差。定义[WD0，JD0]为测试原点位置，定义V前为平台实际前向速度，V右为平台实际右向速度，Vy为多普勒计程仪输出前向速度、Vx为多普勒计程仪输出右向速度，定义惯导设备安装基准线相较平台基准线角度误差κ，ΔD为漂移误差比率，ΔS为初始定位误差，航行过程中不同测点处无线授信位置：
纬度：P_Gps(n)＝WD0+∑[V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
经度：P_Gps(n)＝JD0+∑[V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
往返直航等距测试中，惯导记录测试原点(任务出发点与任务结束点)处的位置信息一致，但是受到初始定位误差、漂移误差和坐标基准误差影响，任务出发点P_Gps(1)和结束点P_Gps(end)处无线授信位置不一致,选择航向相差180度的等距离测线抵消基准安装误差引起的位置误差后变为：
∑ΔD+ΔS＝P_Gps(end)-P_Gps(1)
得到导航定位系统随航程线性增加的漂移误差比率ΔD。
步骤4：往返直航等距测试中，不同测点处惯导记录的航位推算位置为：
纬度：P_Ins(n)＝WD0+∑[Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)]
经度：P_Ins(n)＝JD0+∑[Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)]
比较测线不同测点上惯导记录位置P_Ins(n)和无线授信位置P_Gps(n)。
(ΔWD,ΔJD)＝P_Ins(n)-P_Gps(n)
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
令cos(θ-κ)＝t，sin(θ-κ)＝(1-t2)0.5,上式进行转化后：
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×t-V右×(1-t2)0.5)-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×(1-t2)0.5+V右×t)-(∑ΔD+ΔS)
平台实际前、右向速度与多普勒计程仪输出速度关系式：
V前＝Vx×sin(α)+Vy×cos(α)；V右＝Vx×cos(α)-Vy×sin(α)；
代入漂移误差∑ΔD、初始定位误差ΔS，多普勒计程仪基准安装误差α，解算关于t的一元二次方程式，获得多组κ的数值样本值(κ1,…,κn)，经过统计后得到惯导设备坐标基准误差值κ＝∑(κ1,…,κn)/n。
本发明有益效果是：设计包含组合导航和外置无线通信的无人潜航器进行水面往返航路测试流程，利用静动态下多点位处记录的平台内记位置和授信位置信息，经数据统计分析获得无人潜航器初始定位误差、坐标基准误差，漂移误差比率值，解决了无人潜航器导航定位系统多种误差量化评估手段不足的技术难题，为进一步针对性改善无人潜航器导航定位性能提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明对无人潜航器导航定位系统残留误差测试方法流程框图；
图2为无人潜航器组合导航三种坐标系相对关系示意图；
图3为基准安装误差下的坐标投影转换关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2所示，在水面环境测试中，设计若干静态测试点，由无人潜航器配置的无线接收设备接收并记录卫星授时的经纬度位置信息，每间隔60s记录一次，累计记录5次。选定测试单点位不少于5个，彼此直线间距不少于100米。分别计算各单点记录无线授时原位偏离距离的均方根(RMSE)，最后计算所有静态测试原位偏离距离均方根(RMSE数据集总数为N)的几何平均值，获得无人潜航器初始定位误差量化值ΔO＝∑(RMSE)/N。
偏离距离均方根计算方法：
X(n)为偏离距离瞬时值，XE为偏离距离数据均值。
如图1、2、3所示，在水面环境测试中，设计往返等距离匀速直航测线，测线航向相差180度，全程记录多普勒计程仪输出速度分量值、组合导航航位推算值和平台外置无线授信位置。当平台多普勒计程仪存在基准安装误差α且侧流影响极小时，多普勒计程仪输出前向速度测量值为Vy＝V×cos(α)，输出右向速度测量值为Vx＝V×sin(α)，其中平台合速度模值V＝(Vy 2+Vx 2)0.5。根据直线航线中多普勒计程仪获得的Vy、Vx统计值，得到tan(α)＝Vx/Vy，获得多普勒计程仪的基准安装误差α。当侧向作用力影响不可忽视时，Vx速度中必然含有水流叠加作用。定义水流与航行方向的夹角为β，往返测线下的多普勒计程仪输出分量如下。
Vx_1＝V×sin(α+β)；Vx_2＝V×sin(α-β)；
Vy_1＝V×*cos(α+β)；Vy_2＝V×cos(α-β)；
得到：Vx_1/Vy_1＝tan(α+β)；Vx_2/Vy_2＝tan(α-β)；获得α+β、α-β的计算样本数值，得到多普勒计程仪基准安装误差α。
定义[WD0，JD0]为测试原点位置，定义V前为平台实际前向速度，V右为平台实际右向速度，Vy为多普勒计程仪输出前向速度、Vx为多普勒计程仪输出右向速度，定义惯导设备安装基准线相较平台基准线角度误差κ，ΔD为漂移误差比率，ΔS为初始定位误差，航行过程中不同测点处无线授信位置：
纬度：P_Gps(n)＝WD0+∑[V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
经度：P_Gps(n)＝JD0+∑[V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
往返直航等距测试中，惯导记录测试原点(任务出发点与任务结束点)处的位置信息一致，但是受到初始定位误差、漂移误差和坐标基准误差影响，任务出发点P_Gps(1)和结束点P_Gps(end)处无线授信位置不一致,选择航向相差180度的等距离测线抵消基准安装误差引起的位置误差后变为：
∑ΔD+ΔS＝P_Gps(end)-P_Gps(1)
得到导航定位系统随航程线性增加的漂移误差比率ΔD。
往返直航等距测试中，不同测点处惯导记录的航位推算位置为：
纬度：P_Ins(n)＝WD0+∑[Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)]
经度：P_Ins(n)＝JD0+∑[Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)]
比较测线不同测点上惯导记录位置P_Ins(n)和无线授信位置P_Gps(n)。
(ΔWD,ΔJD)＝P_Ins(n)-P_Gps(n)
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
令cos(θ-κ)＝t，sin(θ-κ)＝(1-t2)0.5,上式进行转化后：
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×t-V右×(1-t2)0.5)-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×(1-t2)0.5+V右×t)-(∑ΔD+ΔS)
如图3所示，平台实际前、右向速度与多普勒计程仪输出速度关系式：
V前＝Vx×sin(α)+Vy×cos(α)；V右＝Vx×cos(α)-Vy×sin(α)；
代入漂移误差∑ΔD、初始定位误差ΔS，多普勒计程仪基准安装误差α，解算关于t的一元二次方程式，获得多组κ的数值样本值(κ1,…,κn)，经过统计后得到惯导设备坐标基准误差值κ＝∑(κ1,…,κn)/n。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法，其特征在于：采用无人潜航器水面往返直线航路设计，对比内置导航设备与外置无线授信设备记录测点信息，建立波束坐标系、载体坐标系与地理坐标系下速度、航向角度与坐标基准误差角度的关联解析式，细分测试出无人潜航器导航定位系统的初始定位误差、坐标基准误差，漂移误差比率量化值，具体步骤如下：
步骤1：在水面环境测试中，设计若干静态测试点，分别获取各静态测试点处记录的多次无线授信位置值，计算静态测试点偏离距离均方根后对所有静态测试点偏离距离均方根求取几何平均值，获得无人潜航器初始定位误差ΔS；
步骤2：在水面环境测试中，设计往返等距离匀速直航测线，全程由平台内置组合导航进行航路控制，全程记录多普勒计程仪输出速度分量值、组合导航航位推算值和平台外置无线授信位置；当侧流影响极小时，多普勒计程仪输出前向速度值为Vy＝V×cos(α)，输出右向速度值为Vx＝V×sin(α)，得到tan(α)＝Vx/Vy，获得多普勒计程仪的基准安装误差α；当侧流影响不可忽视时，定义水流与航行方向的夹角为β，往返测线下的多普勒计程仪输出分量如下：
Vx_1＝V×sin(α+β)；Vy_1＝V×cos(α+β)；
Vx_2＝V×sin(α-β)；Vy_2＝V×cos(α-β)；
得到：Vx_1/Vy_1＝tan(α+β)；Vx_2/Vy_2＝tan(α-β)；
采用记录的多普勒计程仪输出速度分量值，获得α+β、α-β的计算样本数值，统计得到多普勒计程仪基准安装误差α；
步骤3：惯性导航存在基准安装误差可等效为通过平台载体坐标系向地理坐标系投影时改变平台航向角度θ，惯性导航存在的漂移误差可比拟为随航行里程线性增加经纬度漂移误差；定义[WD0，JD0]为测试原点位置，定义V前为平台实际前向速度，V右为平台实际右向速度，Vy为多普勒计程仪输出前向速度、Vx为多普勒计程仪输出右向速度，定义惯导设备安装基准线相较平台基准线角度误差κ，ΔD为漂移误差比率，ΔS为初始定位误差，航行过程中不同测点处无线授信位置：
纬度：P_Gps(n)＝WD0+∑[V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
经度：P_Gps(n)＝JD0+∑[V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ)]+∑ΔD+ΔS
往返直航等距测试中，惯导记录测试原点处的位置信息一致，但是受到初始定位误差、漂移误差和坐标基准误差影响，任务出发点P_Gps(1)和结束点P_Gps(end)处无线授信位置不一致,选择航向相差180度的等距离测线抵消基准安装误差引起的位置误差后变为：
∑ΔD+ΔS＝P_Gps(end)-P_Gps (1)
得到导航定位系统随航程线性增加的漂移误差比率ΔD；
步骤4：往返直航等距测试中，不同测点处惯导记录的航位推算位置为：
纬度：P_Ins(n)＝WD0+∑[Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)]
经度：P_Ins(n)＝JD0+∑[Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)]
比较测线不同测点上惯导记录位置P_Ins(n)和无线授信位置P_Gps(n)；
(ΔWD,ΔJD)＝P_Ins(n)-P_Gps(n)
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×cos(θ-κ)-V右×sin(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×sin(θ-κ)+V右×cos(θ-κ))-(∑ΔD+ΔS)
令cos(θ-κ)＝t，sin(θ-κ)＝(1-t2)0.5,上式进行转化后：
ΔWD＝Vy×cos(θ)-Vx×sin(θ)-(V前×t-V右×(1-t2)0.5)-(∑ΔD+ΔS)
ΔJD＝Vy×sin(θ)+Vx×cos(θ)-(V前×(1-t2)0.5+V右×t)-(∑ΔD+ΔS)
平台实际前、右向速度与多普勒计程仪输出速度关系式：
V前＝Vx×sin(α)+Vy×cos(α)；V右＝Vx×cos(α)-Vy×sin(α)；
代入漂移误差∑ΔD、初始定位误差ΔS，多普勒计程仪基准安装误差α，解算关于t的一元二次方程式，获得多组κ的数值样本值(κ1,…,κn)，经过统计后得到惯导设备坐标基准误差值κ＝∑(κ1,…,κn)/n。
2.根据权利要求1所述的无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法，其特征在于：在水面环境测试中，设计若干静态测试点，由无人潜航器配置的无线接收设备接收并记录卫星授时的经纬度位置信息，每间隔60s记录一次，累计记录5次；选定测试单点位不少于5个，彼此直线间距不少于100米；分别计算各单点记录无线授时原位偏离距离的均方根RMSE，最后计算所有静态测试原位偏离距离均方根的几何平均值，获得无人潜航器初始定位误差量化值ΔO＝∑(RMSE)/N，N为RMSE数据集总数；
偏离距离均方根计算方法：
X(n)为偏离距离瞬时值，XE为偏离距离数据均值。
3.根据权利要求1所述的无人潜航器导航定位系统的残余误差测试方法，其特征在于：所述的测试原点是指任务出发点与任务结束点。
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