CN114323065A - 基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，其技术特点是：基于主惯导、参考惯导之间速度差值、以多普勒速度为基准的两套惯导速度观测误差，获取两套惯导纬度误差中地球周期振荡项相位；利用相位信息将两套惯导经度差值、纬度差值中地球周期振荡项分解，获取两套惯导各自经度、纬度误差中地球周期振荡项；主惯导补偿地球周期振荡误差后的经纬度用作物理场测量的位置基准，进行物理场特征匹配，以匹配位置为基准得到t_p时刻惯导经纬度误差；最终获得惯导精确的经度、纬度误差估计。本发明合理，可用于惯导误差源估计和补偿校正，将克服惯导误差随时间累积的问题，显著提升水下平台长航时自主导航定位精度。

Description

基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法

技术领域

本发明海洋导航技术领域，涉及深远海平台水下自主导航系统，尤其是一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法。

背景技术

由于卫星导航、天文导航等多种导航手段水下应用受限，因此，深远海平台主要以惯性导航为主，其能力有限，与日益增长的长周期高精度导航信息保障需求还存在较大差距。

惯性导航系统的输出信息具有高分辨率、实时性、全参量等特性，是水下平台长航时导航的核心手段，但其误差随时间累积发散导致精度下降，难以满足水下长期导航要求。有必要针对惯性导航系统误差特性，利用水下多源导航信息，实现对惯性导航系统的经纬度误差的精确估计和补偿，从而提升长时间导航精度。

海洋重力、地磁场是地球固有的矢量物理场，海底水深属于地球固有几何属性，重力异常、地球异磁场、海底地形随时间变化小，特征稳定，在特征海域可通过匹配算法获取载体高精度位置信息，可用于惯导累积误差的校正。但由于惯导误差表现为振荡发散，振荡误差项不仅影响物理场特征匹配定位性能，同时影响物理场匹配定位信息对惯导的校正效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，解决深远海水下环境长航时惯导误差变化检测和估计难题，提升水下平台长周期精确导航信息保障能力。

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，包括以下步骤：

步骤1、基于t₀-t₁期间基于主惯导和参考惯导两套惯导之间速度差值、以多普勒速度为基准的两套惯导速度观测误差，获取两套惯导纬度误差中地球周期振荡项相位

步骤2、依据相位

将t₀至当前t₂时刻的两套惯导经度差值、纬度差值中的地球周期振荡项分解，获取两套惯导各自经度误差、纬度误差中的地球周期振荡项，主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项记为LonerrE1、LaterrE1；

步骤3、利用LonerrE1，LaterrE1中最后一个周期的频率、幅值、相位外推t₂至未来t′时刻的主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项LonerrE2、LaterrE2，则t₀-t′期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项为LonerrE＝[LonerrE1，LonerrE2]、LaterrE＝[LaterrE1，LaterrE2]；

步骤4、主惯导经度、纬度输出Loni、Lati中补偿地球周期振荡项后得到 Lon1＝Loni-LonerrE、Lat1＝Lati-LaterrE，以Lon1、Lat1为位置基准将载体在特征航迹集上海洋物理场传感器测量得到的时间序列转换为空间序列，应用匹配算法将特征航迹集的物理场测量空间序列与背景图特征匹配获取t_p时刻匹配位置，以匹配位置为基准信息估计t_p时刻惯导经纬度误差LonerrM，LaterrM；

步骤5、将主惯导经度、纬度误差地球周期振荡项和物理场匹配位置估计的经纬度误差组合，获得惯导精确的经度误差估计、纬度误差估计：

Lonerr＝LonerrE+LonerrM

Laterr＝LaterrE+LaterrM*IF

其中IF为

而且，所述步骤1的具体实现方法包括以下步骤：

(1)求取主惯导和参考惯导北向速度差值得到MRvn，滤波后使用正弦信号拟合法提取 MRvn中周期信号的频率f_d；

(2)分别求取主惯导和参考惯导北向速度与多普勒北向速度的差值，记为MDvn、RDvn；滤波后使用正弦信号拟合法提取MDvn、RDvn中频率f_d的正弦信号的相位信息

则主惯导和参考惯导纬度误差中地球周期振荡相位为

而且，所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：

(1)计算主惯导与参考惯导纬度差值，根据差值中地球周期振荡信号幅值随时间变化情况，将t₀-t₂分为n个时间段，n≥1，尽量使每个时间段地球周期振荡信号幅值随时间变化均匀；

(2)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导纬度差值中地球周期振荡项MRLat_i，读取MRLat_i频率f_lat、幅值、相位

主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lat信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项幅值A_latM、A_latR；主惯导、参考惯导纬度误差中地球周期振荡项分别为：

(3)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导经度差值中地球周期振荡项MRLon_i，读取MRLon_i频率f_lon、幅值A_lon、相位

计算主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lon信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项幅值A_lonM、A_lonR；主惯导、参考惯导经度误差中地球周期振荡项分别为：

(4)t₀-t₂期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项

而且，所述多手段融合是指两套惯导互观测、对底测速观测和海洋物理场特征匹配定位手段的融合，两套惯导为精度等级和阻尼网络相同的惯导，海洋物理场包括重力场、地磁场和水深。

本发明的优点和积极效果是：

本发明根据惯导经纬度误差随时间变化的规律性以及多普勒对底测速推位误差随空间距离变化的规律性两个特性，通过两套惯导和多普勒声呐对底测速信息的相互观测，在无外部精确位置信息条件下实现了惯导周期振荡误差的自主监测和估计；并且在惯导输出端补偿惯导误差周期振荡项后，可为海洋物理场匹配定位提供特征航迹集的高精度航迹构型形态信息，有力支撑获取高精度匹配位置。基于匹配位置的惯导误差估计与惯导误差周期振荡项估计结合可惯导经纬度误差的精确估计，用于惯导误差源估计和补偿校正，将克服惯导误差随时间累积的问题，显著提升水下平台长时间自主导航定位精度。

附图说明

图1为本发明的将两套惯导纬度差值地球周期振荡项幅值分解为两套惯导各自纬度误差地球周期振荡项幅值的示意图；

图2为两套惯导之间北速差值中提取的地球周期振荡信号；

图3为主惯导与多普勒北速差值中提取的地球周期振荡信号；

图4为参考惯导与多普勒北速差值中提取的地球周期振荡信号；

图5为主惯导、参考惯导纬度差值及各自纬度误差中地球周期振荡项曲线；

图6为主惯导、参考惯导经度差值及各自经度误差中地球周期振荡项曲线；

图7为主惯导经度误差中地球周期振荡项LonerrE1、LonerrE曲线；

图8为主惯导纬度误差中地球周期振荡项LaterrE1、LaterrE曲线。

图9为特征航迹集上的重力测量时间序列曲线；

图10为惯导轨迹、惯导补偿地球周期振荡误差后的轨迹、特征航迹集与获取的匹配位置图；

图11为惯导经度误差估计曲线；

图12为惯导纬度误差估计曲线；

图13为惯导经度误差估计的误差；

图14为惯导纬度误差估计的误差。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明是在两套高精度惯导、多普勒声呐对底测速推位系统及海洋物理场特征匹配定位系统构成的水下平台长航时导航系统中实现，其中两套高精度惯导分别为主惯导和参考惯导，两套惯导精度级别相同，采用相同阻尼网络。惯导位置误差变化以地球周期振荡为主，根据载体运动剖面特点，以两套惯导和多普勒声呐对底测速推位系统信息互观测方式实现主惯导位置地球周期振荡误差的监测和补偿，利用补偿后的惯导位置数据，海洋物理场特征匹配定位系统将特征航迹集的物理场测量(重、磁和海底地形三类信息之一)时间序列转化为物理场测量空间序列，通过物理场特征匹配获取匹配位置，完成惯导经纬度误差的精确估计。

本发明采用的多手段融合是指两套惯导互观测、对底测速观测和海洋物理场特征匹配定位手段的融合，两套惯导为精度等级和阻尼网络相同的惯导，海洋物理场包括重力场、地磁场和水深。

基于上述说明，本发明提出一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，包括以下步骤：

步骤1、基于t₀-t₁期间基于主惯导和参考惯导两套惯导之间速度差值、以多普勒速度为基准的两套惯导速度观测误差，获取两套惯导纬度误差中地球周期振荡项的相位

具体实现方法包括以下步骤：：

(1)求取主惯导和参考惯导北向速度差值得到MRvn，滤波后使用正弦信号拟合法提取 MRvn中周期信号的频率f_d。

本实施例中t₀-t₁(1190h-1214h)期间两套惯导之间北速差值MRvn中提取的地球周期振荡信号如图2所示，f_d＝1.085×10^-5Hz。

(2)分别求取主惯导和参考惯导北向速度与多普勒北向速度的差值，记为MDvn、RDvn。滤波后使用正弦信号拟合法提取MDvn、RDvn中频率f_d的正弦信号的相位信息

则主惯导和参考惯导纬度误差中地球周期振荡相位为

本实施例中主惯导与多普勒北速差值MDvn中提取的地球周期振荡信号如图3所示，参考惯导与多普勒北速差值RDvn中提取的地球周期振荡信号如图4所示。

步骤2、依据相位

将t₀至当前t₂(t₂≥t₁)时刻的两套惯导经度差值、纬度差值中的地球周期振荡项分解，获取两套惯导各自经度误差、纬度误差中的地球周期振荡项，主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项记为LonerrE1，LaterrE1。

具体实现方法包括以下步骤：

(1)计算主惯导与参考惯导纬度差值，根据差值中地球周期振荡信号幅值随时间变化情况，将t₀-t₂分为n个时间段，n≥1，尽量使每个时间段地球周期振荡信号幅值随时间变化均匀。

(2)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导纬度差值中地球周期振荡项MRLat_i，读取MRLat_i频率f_lat、幅值、相位

主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lat信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项幅值A_latM、A_latR，具体方法为：以任意点R为起点作长度为A_lat、与x轴夹角为

线段RM，过R点作与x轴夹角为

直线b，过M点作与x轴夹角为

直线a，b和a交于点O，量取线段OM、OR长度即为A_latM、A_latR，过程如图1所示。主惯导、参考惯导纬度误差中地球周期振荡项分别为

(3)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导经度差值中地球周期振荡项MRLon_i，读取MRLon_i频率f_lon、幅值A_lon、相位

计算主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lon信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项幅值A_lonM、A_lonR，具体方法为：在以任意点R为起点作长度为A_lon、与x轴夹角为

的线段RM，过R点作与x轴夹角为

直线b，过M点作与x轴夹角为

直线a，b和a交于点O，量取线段OM、OR长度即为A_lonM、A_lonR。主惯导、参考惯导经度误差中地球周期振荡项分别为

(4)t₀-t₂期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项

本实施例中t₀-t₂(1190h-1226h)期间，主惯导、参考惯导纬度差值及各自纬度误差中地球周期振荡项曲线如图5所示，主惯导、参考惯导经度差值及各自经度误差中地球周期振荡项曲线如图6所示。

步骤3、利用LonerrE1，LaterrE1中最后一个周期的频率、幅值、相位外推t₂至未来t′时刻的主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项LonerrE2、LaterrE2，则t₀-t′期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项为LonerrE＝[LonerrE1，LonerrE2]、LaterrE＝[LaterrE1，LaterrE2]。

本实施例中t₀-t′(1190h-1336h)期间，主惯导经度误差中地球周期振荡项LonerrE1、 LonerrE曲线如图7所示，主惯导纬度误差中地球周期振荡项LaterrE1、LaterrE曲线如图8 所示。

步骤4、主惯导经度、纬度输出Loni、Lati中补偿地球周期振荡项后得到 Lon1＝Loni-LonerrE、Lat1＝Lati-LaterrE，以Lon1、Lat1为位置基准将载体在特征航迹集上海洋物理场传感器测量得到的时间序列转换为空间序列，应用匹配算法将特征航迹集的物理场测量空间序列与背景图特征匹配获取t_p时刻匹配位置，以匹配位置为基准信息估计t_p时刻惯导经纬度误差LonerrM，LaterrM。

本实施例中物理场为重力场，特征航迹集上的重力测量时间序列如图9所示，惯导轨迹、惯导补偿地球周期振荡误差后的轨迹、特征航迹集与获取的匹配位置P如图10所示，以匹配位置为基准信息估计惯导经纬度误差LonerrM＝2.76，LaterrM＝0.01。

步骤5、将主惯导经度、纬度误差地球周期振荡项和物理场匹配位置估计的经纬度误差组合，获得惯导精确的经度误差估计、纬度误差估计：

Lonerr＝LonerrE+LonerrM

Laterr＝LaterrE+LaterrM*IF

其中IF为

本实施例中根据重力分布特征预测匹配位置纬度误差较大，IF＝0，获得的惯导精确的经度误差估计曲线如图11所示，纬度误差估计曲线如图12所示。以卫导为基准信息得到惯导经度、纬度误差真值，则可计算惯导经度误差估计的误差，如图13所示，计算惯导纬度误差估计的误差，如图14所示。从图13、图14可知，采用本发明方法，惯导经度误差估计的最大误差为-0.39，惯导纬度误差估计的最大误差为0.58，验证了方法的有效性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、基于t₀-t₁期间基于主惯导和参考惯导两套惯导之间速度差值、以多普勒速度为基准的两套惯导速度观测误差，获取两套惯导纬度误差中地球周期振荡项相位

步骤2、依据相位

将t₀至当前t₂时刻的两套惯导经度差值、纬度差值中的地球周期振荡项分解，获取两套惯导各自经度误差、纬度误差中的地球周期振荡项，主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项记为LonerrE1、LaterrE1；

步骤3、利用LonerrE1，LaterrE1中最后一个周期的频率、幅值、相位外推t₂至未来t′时刻的主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项LonerrE2、LaterrE2，则t₀-t′期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项为LonerrE＝[LonerrE1，LonerrE2]、LaterrE＝[LaterrE1，LaterrE2]；

步骤4、主惯导经度、纬度输出Loni、Lati中补偿地球周期振荡项后得到Lon1＝Loni-LonerrE、Lat1＝Lati-LaterrE，以Lon1、Lat1为位置基准将载体在特征航迹集上海洋物理场传感器测量得到的时间序列转换为空间序列，应用匹配算法将特征航迹集的物理场测量空间序列与背景图特征匹配获取t_p时刻匹配位置，以匹配位置为基准信息估计t_p时刻惯导经纬度误差LonerrM，LaterrM；

步骤5、将主惯导经度、纬度误差地球周期振荡项和物理场匹配位置估计的经纬度误差组合，获得惯导精确的经度误差估计、纬度误差估计：

Lonerr＝LonerrE+LonerrM

Laterr＝LaterrE+LaterrM*IF

其中IF为

2.根据权利要求1所述的基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法包括以下步骤：

(1)求取主惯导和参考惯导北向速度差值得到MRvn，滤波后使用正弦信号拟合法提取MRvn中周期信号的频率f_d；

(2)分别求取主惯导和参考惯导北向速度与多普勒北向速度的差值，记为MDvn、RDvn；滤波后使用正弦信号拟合法提取MDvn、RDvn中频率f_d的正弦信号的相位信息

则主惯导和参考惯导纬度误差中地球周期振荡相位为

3.根据权利要求1所述的基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：

(1)计算主惯导与参考惯导纬度差值，根据差值中地球周期振荡信号幅值随时间变化情况，将t₀-t₂分为n个时间段，n≥1，尽量使每个时间段地球周期振荡信号幅值随时间变化均匀；

(2)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导纬度差值中地球周期振荡项MRLat_i，读取MRLat_i频率f_lat、幅值、相位

主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lat信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自纬度误差中地球周期振荡项幅值A_latM、A_latR；主惯导、参考惯导纬度误差中地球周期振荡项分别为：

(3)对于第i个时间段，滤波后使用正弦信号拟合法提取主惯导与参考惯导经度差值中地球周期振荡项MRLon_i，读取MRLon_i频率f_lon、幅值A_lon、相位

计算主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项相位

基于相位

和幅值A_lon信息构建三角形求解得到主惯导、参考惯导各自经度误差中地球周期振荡项幅值A_lonM、A_lonR；主惯导、参考惯导经度误差中地球周期振荡项分别为：

(4)t₀-t₂期间主惯导经度误差、纬度误差中地球周期振荡项

4.根据权利要求1所述的基于多手段融合的水下自主导航系统误差监测与估计方法，其特征在于：所述多手段融合是指两套惯导互观测、对底测速观测和海洋物理场特征匹配定位手段的融合，两套惯导为精度等级和阻尼网络相同的惯导，海洋物理场包括重力场、地磁场和水深。

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