CN114440925A - 一种auv组合导航系统忽略水平姿态的dvl标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明提供一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,包括:在直线标定航段的起点处,向惯导下发标定起点指令;惯导收到标定起点指令后,以当前GPS经纬度作为船位推算起点并开始基于INS姿态+DVL速度的船位推算;连续记录n组(n≥1)GPS经纬度和船位推算出的经纬度的同步数据;直线航行m公里,全程进行船位推算;到达直线标定航段的终点处时,向惯导下发标定终点指令;惯导收到标定终点指令后,连续记录n组GPS经纬度和船位推算出的经纬度的同步数据;计算出n组DVL标定参数,分别进行中值平均,从而获得最终的DVL标定参数,并将标定结果写入FLASH;惯导使用DVL标定参数对DVL速度进行实时修正后,作为速度量测进行组合导航。
Description
技术领域
本发明涉及水下组合导航技术领域,具体涉及一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL(多普勒计程仪)标定方法。
背景技术
自主式水下无人潜航器(autonomous underwater vehicle,AUV),由于其体积小、使用成本低、智能化自主作业、保障维护方便、隐蔽性好等诸多优点,在海洋开发和国防领域正发挥着越来越重要的作用。随着AUV应用领域的逐渐扩展,对导航系统的要求也越来越高,需要具备远航程和长航时的高精度导航定位能力。因为高精度导航定位,决定着AUV能否安全作业及返回,以及水下目标定位、海底地形测绘、水下定点布放等作业结果的准确性。目前,AUV大多使用由FINS(光纤捷联惯性导航系统)、GPS和DVL构成的组合导航系统。
对于AUV组合导航系统,DVL和SINS(捷联惯性导航系统,其包含光纤捷联惯性导航系统)在安装(或拆装)后都需要进行标定,得到其安装误差角和刻度系数,以保证组合导航系统具有较高的水下导航定位精度。于玖成、何昆鹏等人选取多点参考定位方法,利用GPS系统测量AUV准确的经纬度和速度信息来估计DVL和SINS的各项误差。但是,该方法使用FINS/DVL组合导航出的终点位置与GPS位置对比来实现,引入了组合导航系统的估计误差,不能反映原始的DVL性能(测速信息)和与INS(惯性导航系统,简称惯导)间的安装关系。
朱春云、庄广琛等人使用卡尔曼在线估计的方式,来实现DVL三个安装误差角的实时估计。由于安装误差的姿态转换矩阵的实时估计,需要AUV持续航行且航向持续变化,才能满足可观性的要求。通过AUV持续转圈或绕“8”字形来进行DVL安装误差角的实时在线估计方法,尚处于实际工程应用前的探索阶段。从目前实航验证的结果来看,该方法估计出的结果尚不理想,需进一步开展研究。
针对上述不足,为了能够有效标定出AUV组合导航系统的DVL标定参数,需要在忽略水平姿态的理想情况下提出一种新的DVL标定方法。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,能够极大地提高AUV组合导航系统的水下导航定位精度,该方法简捷高效,用以解决现有技术中使用FINS/DVL组合导航方式不能有效反映DVL原始测速性能和与INS间的安装关系、因单组GPS跳动造成标定结果不准确、卡尔曼估计方法难以通过AUV工程实施且估计结果不准确等技术问题,具有很高的工程应用价值。
本发明的技术方案为:一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,包括以下步骤:
步骤S101:标定设定距离的直线航段,在起点处,向惯导下发标定起点指令,同时对惯导误差进行GPS校准;
步骤S102:惯导收到标定起点指令后,以当前GPS经纬度作为船位推算起点并开始基于INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S103:连续记录n组GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;其中,n≥1;
步骤S104:直线航行预设距离,全程采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S105:到达标定的直线航段终点处时,向惯导下发标定终点指令;
步骤S106:惯导收到标定终点指令后,连续记录n组GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;
步骤S107:假设AUV组合导航系统在标定航段中,水平姿态角始终为0,根据步骤S103和步骤S106记录的数据,计算出n组DVL标定参数;其中,DVL标定参数为DVL与INS间航向安装误差角和刻度系数;
步骤S108:对步骤S107中的n组航向安装误差角进行中值平均,并对n组刻度系数进行中值平均,从而获得最终的DVL标定参数,并将标定结果写入FLASH;
步骤S109:惯导使用步骤S108获得的DVL标定参数对DVL速度进行实时修正后,作为速度量测进行组合导航。
优选地,所述步骤S101中标定的直线航段大于等于m公里。
优选地,所述步骤S101中还包括:以岸基或漂浮的方式进行惯导初始对准,同时向惯导发送标定指令;惯导初始对准完成后,AUV组合导航系统启动自动航行;直至AUV组合导航系统到达直线航段的起点处时,向惯导发送标定起点指令。
优选地,所述步骤S102中当前GPS经纬度为惯导收到标定起点指令时的GPS经纬度。
优选地,所述船位推算采用INS姿态+DVL速度的方式。
优选地,采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算为:
将b系下的DVL实时速度输出vb转换为n系下的vn:
引入中间变量si、sj、sk、ci、cj和ck如下:
si=sin(ψ) sj=sin(θ) sk=sin(φ) (1)
ci=cos(ψ) cj=cos(θ) ck=cos(φ) (2)
则b系至n系的姿态转换矩阵为:
从而,n系下的vn为:
船位推算的纬度、经度和高度的更新方程为:
其中,b系为惯性测量单元坐标系,其为右-前-上;n系为导航坐标系,其为东-北-天;为b系下的DVL实时速度vb的三个速度分量;ψ为实时航向角,θ为实时俯仰角,φ为实时横滚角,均由惯导实时给出;为DVL实时速度vb经过姿态转换矩阵转换至n系下的DVL实时速度vn的三个速度分量;Lt-1为上一时刻船位推算的纬度、λt-1为上一时刻船位推算的经度,ht-1为上一时刻船位推算的高度;Lt为船位推算出的当前纬度、λt为船位推算出的当前经度,ht为船位推算出的当前高度;RM为地球子午圈半径,RN为地球卯酉圈半径,h为e系下的海拔高度,L为e系下的纬度,e系为地球坐标系,oxe轴在赤道平面内且指向本初子午线,oze轴平行于地球自转轴,oye轴由右手坐标系确定。
优选地,所述步骤S107中计算出n组DVL标定参数的方法包括:
则该组同步数据标定出的DVL标定参数为:
ε=atan(dN-GNSS/dE-GNSS)-atan(dN-dvl/dE-dvl) (9)
式(8)和(9)中:
其中,ε、k分别为标定出的航向安装误差角和刻度系数,Re为地球半径;分别为标定起点的GPS经度和纬度,分别为标定起点的船位推算经度和纬度,分别为标定终点的GPS经度和纬度,分别为标定终点的船位推算经度和纬度,dN_dvl、dE_dvl分别为船位推算的标定起点A1与标定终点C之间的北向距离和东向距离;dN_GNSS、dE_GNSS分别为GNSS航迹的标定起点A与标定终点B之间的北向距离和东向距离。
优选地,所述步骤S109中,对DVL速度进行实时修正的方法为:
再由惯导的实时姿态att=[ψθφ]T,通过式(1)~(3)得到Cb n后,将式(10)获得的vb经过式(4)转化为n系下的速度vn。
优选地,所述步骤S109中,对DVL速度进行实时修正的方法为:
记DVL实时输出的b′系下的速度为由惯导的实时姿态att=[ψθφ]T,通过式(1)~(3)得到Cbn后,将b′系下的DVL实时速度vb'经式(4)转化为n系下的速度再使用标定出的DVL标定参数对v'n进行修正得到vn,即:
优选地,所述DVL标定方法通过处理器执行其对应的指令,并通过计算机可读存储介质存储其对应的指令。
有益效果:
本发明的方法使用基于INS姿态+DVL速度的船位推算方式开展一段直线航程的AUV航行标定试验,在航段的起点和终点同时记录n组GPS经纬度和船位推算出的经纬度,并计算出n组标定参数的中值平均值,从而得到最终的DVL标定参数;能够极大地提高AUV组合导航系统的水下导航定位精度,该方法简捷高效,用以解决现有技术中使用FINS/DVL组合导航方式不能有效反映DVL原始测速性能和与INS间安装关系、因单组GPS跳动造成标定结果不准确、卡尔曼估计方法难以通过AUV工程实施且估计结果不准确等技术问题,具有很高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明DVL标定方法的流程图。
图2为本发明DVL标定方法的标定计算示意图。
图3为本发明DVL标定方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,能够极大地提高AUV组合导航系统的水下导航定位精度,该方法简单高效,用以解决现有技术中使用FINS/DVL组合导航方式不能有效反映DVL原始性能与INS间安装关系、因单组GPS跳动造成标定结果不准确、卡尔曼估计方法难以通过AUV工程实施且估计结果不准确等技术问题,具有很高的工程应用价值。
定义坐标系如下:
b系:惯性测量单元坐标系(右-前-上);
b′系:DVL载体坐标系(右-前-上);
n系:导航坐标系,其为东-北-天;
e系:地球坐标系,oxe轴在赤道平面内且指向本初子午线,oze轴平行于地球自转轴,oye轴由右手坐标系确定。
船位推算采用INS姿态+DVL速度的方式;
由于惯导的姿态更新一般在200HZ以上,而DVL速度输出的频率一般为1HZ,故船位推算的更新频率受DVL更新频率限制;设b系下DVL实时速度为更新周期为Δt,惯导在n系下的实时姿态为att=[ψθφ]T;
将b系下的DVL实时速度输出vb转换为n系下的vn:
引入中间变量si、sj、sk、ci、cj和ck如下:
si=sin(ψ) sj=sin(θ) sk=sin(φ) (1)
ci=cos(ψ) cj=cos(θ) ck=cos(φ) (2)
则b系至n系的姿态转换矩阵为:
从而,n系下的vn如下:
船位推算的位置(纬度、经度和高度)更新方程为:
其中,为b系下的DVL实时速度vb的三个速度分量;ψ为实时航向角,θ为实时俯仰角,φ为实时横滚角,均由惯导实时给出;为DVL实时速度vb经姿态转换矩阵转换至n系下的DVL实时速度vn的三个速度分量;Lt-1为上一时刻船位推算的纬度、λt-1为上一时刻船位推算的经度,ht-1为上一时刻船位推算的高度;Lt为船位推算出的当前纬度、λt为船位推算出的当前经度,ht为船位推算出的当前高度;RM为地球子午圈半径,RN为地球卯酉圈半径,h为e系下的海拔高度,L为e系下的纬度。
如图1和图3所示,该DVL标定方法包括以下步骤:
步骤S101:在标定的直线航段起点处,向惯导下发标定起点指令,同时对惯导误差进行GPS校准;
步骤S102:惯导收到标定起点指令后,以当前GPS经纬度作为船位推算起点并开始基于INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S103:连续记录n组(n≥1)GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;
步骤S104:直线航行m公里,全程采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S105:到达直线标定航段的终点处时,向惯导下发标定终点指令;
步骤S106:惯导收到标定终点指令后,连续记录n组GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;
步骤S107:根据步骤S103和步骤S106记录的数据,计算出n组DVL标定参数(DVL与INS间航向安装误差角和刻度系数),对n组航向安装误差角进行中值平均,并对n组刻度系数进行中值平均,从而获得最终的DVL标定参数(DVL与INS间航向安装误差角和刻度系数),并将标定结果写入FLASH,以便于惯导以后每次上电后读取数据,进行DVL速度修正;
步骤S108:惯导使用DVL标定参数对DVL速度进行实时修正后,作为速度量测进行组合导航。
本实施例中,在步骤S101之前,需选择一片开阔水域,为AUV组合导航系统的标定选定一段航程不小于m公里的直线航段;在步骤S101中,以岸基或漂浮的方式进行惯导初始对准,同时向惯导发送标定指令;惯导初始对准完成后,AUV组合导航系统启动自动航行;当AUV组合导航系统到达直线航段的起点处时,向惯导发送标定起点指令;其中,所使用的惯导处于标定模式。
本实施例中,所述步骤S102中当前GPS经纬度为惯导收到标定起点指令时的GPS经纬度,利用公式(1)~(7)进行基于INS姿态+DVL速度的船位推算。
本实施例中,所述步骤S104中利用公式(1)~(7)进行基于INS姿态+DVL速度的船位推算。
本实施例中,所述步骤S107中计算出n组DVL标定参数的方法包括:
假设AUV组合导航系统在标定航段中,水平姿态角始终为0;
使用步骤S103和步骤S106记录的数据,计算出n组DVL标定参数(DVL与INS间航向安装误差角和刻度系数);其中,记第i组(1≤i≤n)起点GPS经纬度为起点船位推算出的经纬度为第i组终点GPS经纬度为终点船位推算出的经纬度为如图2所示,则该组同步数据标定出的DVL标定参数为:
ε=atan(dN-GNSS/dE-GNSS)-atan(dN-dvl/dE-dvl) (9)
式(8)和(9)中:
其中,ε、k分别为标定出的航向安装误差角和刻度系数,Re为地球半径;分别为标定起点的GPS经度和纬度,分别为标定起点的船位推算经度和纬度,分别为标定终点的GPS经度和纬度,分别为标定终点的船位推算经度和纬度,dN_dvl、dE_dvl分别为船位推算的标定起点A1与标定终点C之间的北向距离和东向距离;dN_GNSS、dE_GNSS分别为GNSS航迹的标定起点A与标定终点B之间的北向距离和东向距离;
利用式(8)~(9)分别计算出n组DVL标定参数(DVL与INS间航向安装误差角ε和刻度系数k)后,分别去掉最大值和最小值后取平均,从而获得最终的DVL标定参数(ε,k),并将该标定结果写入FLASH,便于惯导以后每次上电后读取数据,进行DVL速度修正。
1)方法一:b′系下修正
使用标定出的DVL标定参数将b′系下的DVL速度修正为b系下的DVL速度(即将b′系下的DVL速度向量旋转航向安装误差角ε),即:
再由惯导的实时姿态att=[ψθφ]T,通过式(1)~(3)得到后,将式(10)获得的vb经过式(4)转化为n系下的速度vn,之后,再将vn进一步构建出速度量测输入到卡尔曼滤波器,从面实现高精度的水下组合导航;
2)方法二:n系下修正
之后,再将vn进一步构建出的速度量测输入到卡尔曼滤波器,从面实现高精度的水下组合导航;
对于以上两种使用DVL标定参数对DVL速度进行修正的方法的优缺点分析:
对于方法一,因AUV组合导航系统在标定的直线航段中不可能满足水平姿态为0的假设,n系与b′系两者水平面之间存在夹角,由式(8)~(9)计算得到的n系水平面上的夹角和刻度系数,近似为b′系下的夹角和刻度系数,必然存在一定误差;这就要求步骤S104中,AUV组合导航系统所标定的直线航段中水平姿态尽量为0,以减小这一误差;一旦标定完成后,该误差即为一固定值,进而对AUV组合导航系统进行水下组合导航的精度造成的影响是固定的;
对于方法二,由式(8)~式(9)计算得到的n系水平面上的夹角和刻度系数,使用式(11)对DVL速度进行修正,则可以允许步骤S104中AUV组合导航系统在标定的直线航段中水平姿态为某固定值即可;在标定完成后即开展水下组合导航精度测试,将获得比方法一更好的组合导航精度;但因航行中侧向流变化、AUV组合导航系统总体外形和衡重参数改变(惯导和DVL间状态不变)等因素引起AUV组合导航系统实际航行中的水平姿态发生变化,会对组合导航精度造成影响,且该影响是变化的;
因方法二对AUV组合导航系统状态依赖较大,限制了AUV组合导航系统的正常使用(例如更换载荷模块等);而方法一仅受S104步骤中AUV组合导航系统水平姿态不为0造成的误差影响,一旦标定完成该误差即为某固定值,不受AUV组合导航系统状态和外部流场等内外部因素变化的影响。
本实施例中,该DVL标定方法通过处理器执行其对应的指令。
本实施例中,该DVL标定方法对应的指令通过计算机可读存储介质(存储器)存储。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S101:标定设定距离的直线航段,在起点处,向惯导下发标定起点指令,同时对惯导误差进行GPS校准;
步骤S102:惯导收到标定起点指令后,以当前GPS经纬度作为船位推算起点并开始基于INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S103:连续记录n组GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;其中,n≥1;
步骤S104:直线航行预设距离,全程采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算;
步骤S105:到达标定的直线航段终点处时,向惯导下发标定终点指令;
步骤S106:惯导收到标定终点指令后,连续记录n组GPS经纬度和采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算得出的经纬度的同步数据;
步骤S107:假设AUV组合导航系统在标定航段中,水平姿态角始终为0,根据步骤S103和步骤S106记录的数据,计算出n组DVL标定参数;其中,DVL标定参数为DVL与INS间航向安装误差角和刻度系数;
步骤S108:对步骤S107中的n组航向安装误差角进行中值平均,并对n组刻度系数进行中值平均,从而获得最终的DVL标定参数,并将标定结果写入FLASH;
步骤S109:惯导使用步骤S108获得的DVL标定参数对DVL速度进行实时修正后,作为速度量测进行组合导航。
2.如权利要求1所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述步骤S101中标定的直线航段大于等于m公里。
3.如权利要求1所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述步骤S101中还包括:以岸基或漂浮的方式进行惯导初始对准,同时向惯导发送标定指令;惯导初始对准完成后,AUV组合导航系统启动自动航行;直至AUV组合导航系统到达直线航段的起点处时,向惯导发送标定起点指令。
4.如权利要求1所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述步骤S102中当前GPS经纬度为惯导收到标定起点指令时的GPS经纬度。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述船位推算采用INS姿态+DVL速度的方式。
6.如权利要求5所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,采用INS姿态+DVL速度的方式进行船位推算为:
将b系下的DVL实时速度输出vb转换为n系下的vn:
引入中间变量si、sj、sk、ci、cj和ck如下:
si=sin(ψ) sj=sin(θ) sk=sin(φ) (1)
ci=cos(ψ) cj=cos(θ) ck=cos(φ) (2)
则b系至n系的姿态转换矩阵为:
从而,n系下的vn为:
船位推算的纬度、经度和高度的更新方程为:
其中,b系为惯性测量单元坐标系,其为右-前-上;n系为导航坐标系,其为东-北-天;为b系下的DVL实时速度vb的三个速度分量;ψ为实时航向角,θ为实时俯仰角,φ为实时横滚角,均由惯导实时给出;为DVL实时速度vb经过姿态转换矩阵转换至n系下的DVL实时速度vn的三个速度分量;Lt-1为上一时刻船位推算的纬度、λt-1为上一时刻船位推算的经度,ht-1为上一时刻船位推算的高度;Lt为船位推算出的当前纬度、λt为船位推算出的当前经度,ht为船位推算出的当前高度;RM为地球子午圈半径,RN为地球卯酉圈半径,h为e系下的海拔高度,L为e系下的纬度,e系为地球坐标系,oxe轴在赤道平面内且指向本初子午线,oze轴平行于地球自转轴,oye轴由右手坐标系确定。
7.如权利要求6所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述步骤S107中计算出n组DVL标定参数的方法包括:
则该组同步数据标定出的DVL标定参数为:
ε=atan(dN-GNSS/dE-GNSS)-atan(dN-dvl/dE-dvl) (9)
式(8)和(9)中:
10.如权利要求1-4中任意一项所述的AUV组合导航系统忽略水平姿态的DVL标定方法,其特征在于,所述DVL标定方法通过处理器执行其对应的指令,并通过计算机可读存储介质存储其对应的指令。
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