CN114397480B - 声学多普勒测速仪误差估计方法、装置及系统 - Google Patents

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CN114397480B CN202210056534.0A CN202210056534A CN114397480B CN 114397480 B CN114397480 B CN 114397480B CN 202210056534 A CN202210056534 A CN 202210056534A CN 114397480 B CN114397480 B CN 114397480B
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Abstract

本发明公开了一种声学多普勒测速仪误差估计方法、装置及系统，该方法包括：步骤一，根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure DDA0003476727650000011
步骤二，利用位移SH和
Figure DDA0003476727650000012
之间的比例关系确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ。本发明仅利用载体的起点和终点位置信息即可进行DVL误差标定，摆脱了对GPS信息的依赖，有效减少了算法应用限制，扩大了算法适用范围；本发明通过简单的比值计算即可对DVL误差参数进行估计，算法复杂度小，运算效率高。

Description

声学多普勒测速仪误差估计方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及水下定位与导航领域，特别涉及一种声学多普勒测速仪误差估计方法、装置及系统。
背景技术
多普勒测速仪(DopplerVelocity Log，DVL)测速精度高，且误差不随时间发散，因此被广泛应用于水下载体的导航领域。但由于DVL无法测量载体姿态信息，因此必须与姿态传感器，如惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)，联合建立组合导航系统。在姿态传感器精度较高，且正确标定的情况下，DVL测速误差是限制导航精度的主要因素。
DVL测速误差源主要有刻度因子误差和安装误差两类。常用的误差估计方案是将由DVL测量的速度信息与外部高精度的参考信息对比，建立DVL误差观测方程，然后利用卡尔曼滤波或者梯度下降优化法求解该方程，该方程的解即为DVL误差。此方法需全程接收定位信息，例如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)信息，对水下载体的隐蔽性产生巨大挑战，且对于水下履带车等无法浮出水面的载体而言也不能适用。
因此，亟待提供一种不依赖定位信息的DVL误差估计方法，能够提高载体隐蔽性，且能够应用于更加广泛的环境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声学多普勒测速仪误差估计方法、装置及系统，来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种声学多普勒测速仪误差估计方法，应用于水中行驶的载体，所述载体上预配置由多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)与姿态传感器建立的组合导航系统，所述方法包括：
步骤一，根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure BDA0003476727630000011
步骤二，利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure BDA0003476727630000021
Figure BDA0003476727630000022
优选的，步骤一之前还包括：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
优选的，所述测速误差模型为：
Figure BDA0003476727630000023
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天，
Figure BDA0003476727630000024
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
优选的，所述映射关系为：
Figure BDA0003476727630000025
式(4)中，
Figure BDA0003476727630000026
分别表示在时间段[0,T]内载体的真实位移矢量、计算位移矢量和行驶里程。
优选的，根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)包括：
将式(4)分解为水平和垂直两部分，得到
Figure BDA0003476727630000027
Figure BDA0003476727630000031
其中，
Figure BDA0003476727630000032
Sn＝[SE SN SU]T，
Figure BDA0003476727630000033
SH＝[SE SN 0]T，下标H表示在水平面上的投影；
根据所述式(5)和(6)确定所述式(1)和(2)。
本发明实施例还提供一种应用上述方法进行导航的方法，包括：
利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；
利用得到值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
本发明实施例还提供一种声学多普勒测速仪误差估计装置，应用于水中行驶的载体，所述载体上预配置由多普勒测速仪(DVL，DopplerVelocity Log)与姿态传感器建立的组合导航系统，其特征在于，所述装置包括：
位移获取单元，用于根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure BDA0003476727630000034
误差确定单元，用于利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure BDA0003476727630000035
Figure BDA0003476727630000036
优选的，该装置还包括映射单元，用于：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
优选的，所述测速误差模型为：
Figure BDA0003476727630000037
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天，
Figure BDA0003476727630000038
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
本发明实施例还提供一种应用上述装置的导航系统，包括多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)、姿态传感器和导航计算机，其特征在于，还包括：
标定计算机，与所述导航计算机通过开关连接，用于利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；
所述导航计算机，与所述多普勒测速仪和姿态传感器以及所述标定计算机连接，利用从所述标定计算机接收的所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
本发明实施例由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明仅利用载体的起点和终点位置信息即可进行DVL误差标定，摆脱了对GPS信息的依赖，有效减少了算法应用限制，扩大了算法适用范围；本发明通过简单的比值计算即可对DVL误差参数进行估计，算法复杂度小，运算效率高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的声学多普勒测速仪误差估计系统的示意图。
图2为本发明实施例提供的声学多普勒测速仪误差估计方法的流程示意图。
图3示出本发明实施例中确定DVL刻度因子误差以及DVL安装误差的过程示意图。
图4示出本发明实施例提供的声学多普勒测速仪误差估计方法的一具体示例。
图5示出本发明实施例中声学多普勒测速仪误差估计装置的结构示意图。
具体实施方式
在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
在不冲突的情况下，本发明各实施例及各实施方式中的技术特征可以相互组合，并不局限于该技术特征所在的实施例或实施方式中。
下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步的说明，需要指出的是，下面仅以一种最优化的技术方案对本发明的技术方案以及设计原理进行详细阐述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本文涉及下列术语，为便于理解，对其含义说明如下。本领域技术人员应当理解，下列术语也可能有其它名称，但在不脱离其含义的情形下，其它任何名称都应当被认为与本文所列术语一致。
本发明实施例提供一种声学多普勒测速仪误差估计系统，如图1所示，包括标定计算机、嵌入式导航计算机和传感器。
其中，传感器包括多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)、姿态传感器，如惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)，以及其它例如路标点等设备。
标定计算机与嵌入式导航计算机之间采用开关相连。标定计算机执行误差估计任务，将误差参数注入导航计算机，然后打开开关，脱离与嵌入式导航计算机连接，以减轻后者的数据转发负担。
嵌入式导航计算机与传感器和标定计算机连接，向标定计算机传输执行误差估计任务指令以及所需要的参数。嵌入式导航计算机还接收标定计算机返回的误差估计结果，据此更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法确定导航轨迹。
其中，标定计算机还可以有其它名称，本文对此不做限定。标定计算机也可以集成到嵌入式导航计算机内，本文上述系统仅是最优实施方式，基于本发明提供的技术构思，其它能够确定声学多普勒测速仪误差的方式，也应当属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种声学多普勒测速仪误差估计方法，如图2所示，包括：
步骤10，根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure BDA0003476727630000061
步骤20，利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure BDA0003476727630000062
Figure BDA0003476727630000063
其中，确定式(1)和(2)的过程包括：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
利用本发明提供的声学多普勒测速仪误差估计方法，仅利用载体的起点和终点位置信息即可进行DVL误差标定，摆脱了对GPS信息的依赖，有效减少了算法应用限制，扩大了算法适用范围；本发明通过简单的比值计算即可对DVL误差参数进行估计，算法复杂度小，运算效率高。
具体地，图3示出了确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的过程。如图3所示，包括：
步骤31，建立姿态传感器与多普勒测速仪的组合导航系统测速误差模型。
姿态传感器与多普勒测速仪组合导航系统例如为INS/DVL组合导航系统。
测速误差模型具体为：
Figure BDA0003476727630000064
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天，
Figure BDA0003476727630000065
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
在一种实施方式中，通过下述过程得到上式(3)：
采用现有技术中常用INS/DVL测速模型，如下：
Figure BDA0003476727630000071
其中，n代表导航坐标系，其三轴指向东、北、天；b代表载体坐标系，本文默认其与INS坐标系重合，三轴指向载体右、前、上；d代表DVL测量坐标系，三轴指向DVL设备右、前、上；
Figure BDA0003476727630000072
代表INS/DVL组合导航系统测量的载体在n系下的速度；Vn代表载体在n系下的真实速度；Vd＝[vdX vdY vdZ]T代表载体在d系下的真实速度，vdX、vdY、vdZ分别为右、前和上向分量；φ＝[φE φN φU]T代表INS测量的载体姿态误差，φE、φN、φU分别为东、北和天向分量；
Figure BDA0003476727630000073
代表载体姿态矩阵，即b系与n系之间的姿态转换矩阵；ξ＝[θ γ ψ]T代表DVL安装误差角，即b系与d系之间的夹角；δkd代表DVL刻度因子误差。
其中，INS坐标系和DVL测量坐标系均为设备内预设坐标系。
考虑到水下载体运动以前向速度为主，且INS测量的载体水平姿态误差通常较小，因此令载体非前向速度和载体水平姿态误差为0，即令Vd＝[0 vdY 0]T，φE＝φN＝0，那么INS/DVL测速模型可简化得到上式(3)。
步骤32，对测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系。
对测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系，具体为：
Figure BDA0003476727630000074
式中，
Figure BDA0003476727630000075
分别表示在时间段[0,T]内载体真实位移矢量、计算位移矢量和行驶里程。
其中，对式(3)进行积分的过程包括：设θ、φU+ψ和δkd均为常值小量(通常容易保证)，且载体在地理位置变化不大的范围内行驶，即整个导航过程中导航坐标系的旋转角度不大，可当作平面处理，将上式两边同时对时间积分，即可得式(4)。
步骤33，根据组合导航系统递推位置轨迹的变形特征辨识DVL测速误差参数。
将式(4)分解为水平和垂直两部分，得到：
Figure BDA0003476727630000081
Figure BDA0003476727630000082
其中，
Figure BDA0003476727630000083
Sn＝[SE SN SU]T，
Figure BDA0003476727630000084
SH＝[SE SN 0]T，下标H表示在水平面上的投影。
由以上两式(5)和(6)可以看出，载体真实的位移矢量与计算位移矢量之间，以及载体真实的行驶里程与计算的行驶里程之间，均存在固定的比例关系，而比例因子正是由DVL刻度因子误差、DVL安装误差和载体姿态误差组成的。
图4示出本发明实施例提供的声学多普勒测速仪误差估计方法的一具体示例。如图4所示，假设载体要从A点出发至B点，其真实轨迹由实线标出，而由预设的航位推算算法推算的轨迹由虚线标出。那么
Figure BDA0003476727630000085
为水平面上的真实位移，
Figure BDA0003476727630000086
为相应的航位推算位移。若做辅助线段BD使BD⊥AC，根据
Figure BDA0003476727630000087
的表达式分析可知：真实位移绕天向轴uU转动角度φU+ψ得到
Figure BDA0003476727630000088
再扩大1+δkd倍，得航位推算位移
Figure BDA0003476727630000089
由于轨迹上每一点都满足以上几何规律，因此，航位推算路线和真实路线是几何相似的，即以起始点A为中心点航位推算路线在整体上转动了φU+ψ角度并扩大了1+δkd倍。由图可见，δkd将引起沿着位移方向的误差
Figure BDA00034767276300000810
而φU+ψ会引起垂直于位移方向的误差
Figure BDA00034767276300000811
这两个误差总和为
Figure BDA00034767276300000812
根据以上分析可以知晓：若A点和B点的真实位置提前已知，C点位置由航位推算获得，那么通过三角形ΔABC各边的几何关系，便可辨识出DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差和载体姿态误差的和φU+ψ。具体辨识方法如下：
Figure BDA00034767276300000813
Figure BDA00034767276300000814
式中，|·|为求模算子，用以求解向量长度。考虑到姿态传感器测量载体航向姿态误差角φU较小，可令φU＝0，那么由上式可直接获得DVLz轴安装误差角的估计值
Figure BDA0003476727630000091
上式(7)更直观的表达形式即为上述式(1)和(2)：
Figure BDA0003476727630000092
Figure BDA0003476727630000093
本发明实施例还提供一种应用上述声学多普勒测速仪误差估计方法进行导航的方法，包括：利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；利用得到值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
本发明实施例还提供一种声学多普勒测速仪误差估计装置，用于实施上述声学多普勒测速仪误差估计方法。该装置具体可以为图1中的标定计算机，当然也可以是其它能够实现其功能的设备，或者设备内的硬件构造。
图5示出该声学多普勒测速仪误差估计装置的结构示意图，如图5所示，该装置包括：
位移获取单元51，用于根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure BDA0003476727630000094
误差确定单元52，用于利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure BDA0003476727630000095
Figure BDA0003476727630000096
在一种优选的实施方式中，该装置还包括映射单元53，用于：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
其中，所述测速误差模型为：
Figure BDA0003476727630000101
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天，
Figure BDA0003476727630000102
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
容易理解，该声学多普勒测速仪误差估计装置可以实现上述上述声学多普勒测速仪误差估计方法中的全部操作，为避免冗余，本文对其功能不再赘述。
本发明实施例还提供一种应用上述声学多普勒测速仪误差估计装置的导航系统，包括DVL、姿态传感器和导航计算机，还包括：
标定计算机，与所述导航计算机通过开关连接，用于利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；
所述导航计算机，与所述多普勒测速仪和姿态传感器以及所述标定计算机连接，利用从所述标定计算机接收的所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
该导航系统的一种具体实现如图1所示，容易理解，本文不排除导航系统的其它构造。
利用本发明提供的声学多普勒测速仪误差估计装置及系统，仅利用载体的起点和终点位置信息即可进行DVL误差标定，摆脱了对GPS信息的依赖，有效减少了算法应用限制，扩大了算法适用范围；本发明通过简单的比值计算即可对DVL误差参数进行估计，算法复杂度小，运算效率高。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种声学多普勒测速仪误差估计方法，应用于水中行驶的载体，所述载体上预配置由多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)与姿态传感器建立的组合导航系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤一，根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure FDA0003476727620000011
步骤二，利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure FDA0003476727620000012
Figure FDA0003476727620000013
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一之前还包括：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测速误差模型为：
Figure FDA0003476727620000014
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天
Figure FDA0003476727620000015
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述映射关系为：
Figure FDA0003476727620000016
式(4)中，
Figure FDA0003476727620000021
分别表示在时间段[0,T]内载体的真实位移矢量、计算位移矢量和行驶里程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)包括：
将式(4)分解为水平和垂直两部分，得到
Figure FDA0003476727620000022
Figure FDA0003476727620000023
其中，
Figure FDA0003476727620000024
SH＝[SESN 0]T，下标H表示在水平面上的投影；
根据所述式(5)和(6)确定所述式(1)和(2)。
6.一种应用权利要求1所述的方法进行导航的方法，包括：
利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；
利用得到值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
7.一种声学多普勒测速仪误差估计装置，应用于水中行驶的载体，所述载体上预配置由多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)与姿态传感器建立的组合导航系统，其特征在于，所述装置包括：
位移获取单元，用于根据所述载体的起点位置和终点位置获取所述载体在水平面上的真实位移SH和航位推算位移
Figure FDA0003476727620000025
误差确定单元，用于利用下式确定DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ：
Figure FDA0003476727620000026
Figure FDA0003476727620000027
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括映射单元，用于：
建立典型工况下的组合导航系统测速误差模型；
对所述测速误差模型进行时间变量积分，获取DVL测速误差与组合导航系统递推位置误差之间的映射关系；
根据所述映射关系确定所述式(1)和(2)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述测速误差模型为：
Figure FDA0003476727620000031
其中，n代表导航坐标系，其三坐标轴分别指向东、北、天，
Figure FDA0003476727620000032
代表所述组合导航系统测量的载体在所述导航坐标系下的速度；d代表DVL预设坐标系；δkd代表DVL刻度因子误差；I为3维单位矩阵；φ代表所述载体姿态传感器测量载体姿态的误差，φU为φ的天向分量；θ和ψ分别为所述DVL预设坐标系下x轴和z轴的安装误差角；u＝[0 0 1]T为单位向量；Vn代表载体在所述导航坐标系下的真实速度；vdY代表所述载体在所述DVL预设坐标系下的真实速度的y轴分量。
10.一种应用权利要求7所述的装置的导航系统，包括多普勒测速仪(DVL，DopplerVelocity Log)、姿态传感器和导航计算机，其特征在于，还包括：
标定计算机，与所述导航计算机通过开关连接，用于利用所述式(1)和(2)得到所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值；
所述导航计算机，与所述多普勒测速仪和姿态传感器以及所述标定计算机连接，利用从所述标定计算机接收的所述DVL刻度因子误差δkd以及DVL安装误差ψ的值更新预设的航位推算算法，利用更新后的航位推算算法进行导航。
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