CN115031729A - Sins/dvl/usbl水下紧组合导航方法及装置、水下载体控制设备 - Google Patents

Sins/dvl/usbl水下紧组合导航方法及装置、水下载体控制设备 Download PDF

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王晓伟
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Abstract

本发明公开了一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法及装置、水下载体控制设备，包括：步骤1，将SINS解算的水下载体的速度信息转化为DVL坐标系下的原始波束速度、及将SINS解算的水下载体的位置信息转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角；步骤2，将SINS速度转换的原始波束速度和DVL量测的原始波束速度输入SINS/DVL子滤波器中，输出第一状态估计和第一协方差阵；步骤3，将SINS位置转换的斜距和方位角和USBL量测的原始斜距、方位角输入SINS/USBL子滤波器中，输出第二状态估计和第二协方差阵；步骤4，将状态估计和协方差阵与输入SINS/DVL/USBL主滤波器，生成的全局最优估计值及其相应的协方差阵，按照预设分配规则重置子滤波器的状态估计值，本发明能够实现对SINS导航解算信息的修正，保证精确导航信息输出，解决DVL或USBL信息缺失的问题。

Description

SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法及装置、水下载体控制 设备
技术领域
本发明涉及一种水下导航技术领域，尤其是涉及一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法及装置、水下载体控制设备。
背景技术
相对陆空导航，水下导航因具有环境复杂、信息源少、隐蔽性要求高等特点而格外困难。目前国际常用的水下导航定位技术手段有惯性导航技术、多普勒测速仪(DVL，Doppler Velocity Log)、水声定位技术以及组合导航技术等。单一的导航装置由于自身存在的不足，已无法满足现代导航装置高精度高可靠性的要求。例如，捷联惯导系统(SINS，strap-down inertial navigation system)能够为水下运载体提供完备导航信息，但其误差随时间积累。多普勒测速仪虽能够测得高精度的速度信息，但位置误差仍随航程积累。超短基线(USBL)水声定位装置虽能够量测应答器相对于基阵的相对位置信息，但其作用范围有限，只能在特定范围内使用。
组合导航技术利用两种或两种以上的非相似导航装置对同一导航信息做量测并解算以形成量测量。从这些量测量中计算出各惯导的误差并校正，能够提高水下载体的导航精度。现有的组合导航方式有SINS/DVL组合导航和SINS/USBL组合导航。
SINS/DVL组合导航是一种速度组合的模式，虽然能够获得水下载体实时高精度的速度信息，但位置误差仍随时间积累。且如果遇见一些特殊情况，如DVL受载体姿态角动态影响的情况和DVL只有受限数量的波束量测可用的情况，SINS/DVL松组合导航无法使用。SINS/USBL组合导航能够有效抑制导航装置位置误差的发散，但又受水声换能器作用距离的限制，常用于区域范围内的高精度定位。且当USBL部分观测信息缺失时，SINS/USBL松组合导航不足以满足定位任务的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法及装置，能够集合SINS/DVL组合和SINS/USBL组合的优点，且能够在缺失传感器信息的情况下实现水下载体长续航高精度导航。
为实现上述目的，本发明提供一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其包括：
步骤1，通过SINS公共参考系统将解算的水下载体的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000021
以及将所述解算的水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]；
步骤2，将步骤1获得的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000022
和DVL量测得到的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000023
两者输入到SINS/DVL子滤波器中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵；
步骤3，将步骤1获得的斜距和方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到SINS/USBL子滤波器中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵；
步骤4，将步骤2输出的第一状态估计和第一协方差阵与步骤3输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到SINS/DVL/USBL主滤波器，通过SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合，生成的全局最优估计值
Figure BDA0003631675030000024
及其相应的协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure BDA0003631675030000025
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure BDA0003631675030000026
Figure BDA0003631675030000027
其中，βm为主滤波器的信息分配系数；βi为第i个子滤波器的信息分配系数，
Figure BDA0003631675030000028
为主滤波器输出的状态估计，Pg为主滤波器输出的误差协方差阵。
步骤5，将主滤波器输出的状态估计
Figure BDA0003631675030000029
作为SINS公共参考系统的误差估计量，并利用
Figure BDA00036316750300000210
对SINS公共参考系统输出的信息进行修正，并返回步骤1。
进一步地，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure BDA0003631675030000031
其中，
Figure BDA0003631675030000032
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000033
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000034
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure BDA0003631675030000035
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
进一步地，步骤1中使用误差模型状态方程(4)：
Figure BDA0003631675030000036
其中，XSINS为15维状态向量，如下式(5)所示，
Figure BDA0003631675030000037
为XSINS关于时间的一阶导数，FSINS为装置状态转移矩阵，GSINS为噪声分配矩阵，WSINS为装置噪声：
Figure BDA0003631675030000038
其中，
Figure BDA0003631675030000039
分别为惯导的航向、俯仰、横滚姿态角误差；δVE、δVN、δVU分别为惯导的东向、北向、天向速度误差；δL、δλ、δh分别为惯导的纬度、经度、高度误差；εx、εy、εz分别为惯导的陀螺零偏；
Figure BDA00036316750300000310
分别为惯导的加速度计零偏。
进一步地，将速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的DVL原始波束
Figure BDA00036316750300000311
表示为式(8)：
Figure BDA00036316750300000312
其中，M为载体坐标系到DVL坐标系的转换，
Figure BDA00036316750300000313
为导航坐标系n系到载体坐标系b系的转换，VD表示DVL波束信息，Vn表示步骤1的水下载体的速度，即惯导解算得到的导航坐标系下的速度，Vn为由东向速度VE、北向速度VN、天向速度VU组成的三维量，δVn为导航坐标系速度误差，
Figure BDA00036316750300000314
为由航向角误差
Figure BDA00036316750300000315
俯仰角误差
Figure BDA00036316750300000316
横滚姿态角误差
Figure BDA00036316750300000317
组成的失准角误差向量。
进一步地，将所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]为式(29)：
Figure BDA00036316750300000318
其中，[α β r]T为真值，
Figure BDA00036316750300000319
δp＝[δL δλ δh]T为位置误差；
其中，
Figure BDA0003631675030000041
Figure BDA0003631675030000042
Figure BDA0003631675030000043
式中，
Figure BDA0003631675030000044
为应答器在u系中的三维坐标，
Figure BDA0003631675030000045
为应答器相对SINS在e系上的相对位置
Figure BDA0003631675030000046
的三维坐标，L对应为惯导解算的维度，λ对应为惯导解算的经度，h对应为惯导解算的高度，RMh＝RM+h，RM为子午圈主曲率半径，RNh＝RN+h，RN为卯酉圈主曲率半径，
Figure BDA0003631675030000047
为导航坐标系n系到载体坐标系b系的坐标系变换，
Figure BDA0003631675030000048
为地球坐标系e系到导航坐标系n系的坐标系转换，As、Bs和Cs均为用于简化公式的中间参数。
5.如权利要求4所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，步骤3采用式(31)将SINS解算位置转换的斜距和方位角[αs βs rs]和量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到SINS/DVL子滤波器中进行组合：
Figure BDA0003631675030000049
式中，
Figure BDA00036316750300000410
表示惯导的失准角误差，δp表示惯导解算的位置误差，
Figure BDA00036316750300000411
表示与惯导失准角误差对应相乘的量测矩阵，Hδp表示与惯导解算位置误差对应相乘的量测矩阵。
本发明还提供一种水下载体控制设备，其包括载体地面端、决策规划单元、导航定位单元、智能控制单元和底层驱动单元；其中，载体地面端负责下发路径跟踪控制任务，决策规划单元则接收地面端下发任务进行处理并转发到智能控制单元，导航定位单元包括DVL单元、超短基线单元、惯导单元以及导航计算单元，导航定位单元使用如权利要求1-5中任一方法进行定位。
本发明还提供一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航装置，包括导航定位单元，导航定位单元还包括：
SINS公共参考系统，其用于将惯导单元测得的水下载体的速度信息Vn＝[VE VNVU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000051
以及将惯导单元测得的所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]；
SINS/DVL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转化的波束速度
Figure BDA0003631675030000052
和DVL单元量测得到的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000053
两者输入到中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵；
SINS/USBL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转化的斜距和方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵；
SINS/DVL/USBL主滤波器，其用于将SINS/DVL子滤波器输出的第一状态估计和第一协方差阵与SINS/DVL子滤波器输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到，通过SINS/DVL/USB主滤波器进行信息融合，生成的全局最优估计值
Figure BDA0003631675030000054
及其相应的协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure BDA0003631675030000055
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure BDA0003631675030000056
Figure BDA0003631675030000057
其中，βm为主滤波器的信息分配系数；βi为第i个子滤波器的信息分配系数；
信息修正单元，其用于将主滤波器输出的状态估计
Figure BDA0003631675030000058
作为SINS公共参考系统的误差估计量，并利用
Figure BDA0003631675030000059
对SINS公共参考系统输出的信息进行修正。
进一步地，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure BDA00036316750300000510
其中，
Figure BDA00036316750300000511
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure BDA00036316750300000512
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000061
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure BDA0003631675030000062
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明采用紧组合的组合方式，将SINS解算的数据转换为DVL的原始波束速度信息进行组合，而DVL可以不进行数据处理，防止了DVL本身在解算过程中产生的解算误差；此外，本发明还可以将SINS解算的信息转换为DVL的波束信息，从而解决DVL部分波束信息缺失时松组合不可用的情况。
2、本发明采用紧组合的组合方式可以利用SINS解算出USBL的原始输出斜距和方位角信息，并与USBL的信息进行融合，从而解决USBL部分信息缺失时松组合不能使用的情况。
3、本发明采用联邦滤波的方式对SINS/DVL/USBL三者的信息进行紧组合，可以将三种传感器的信息充分利用，集合了三种传感器的优点，可以进行全局最优估计，并对惯导进行误差校正，能够完成长时间高精度的导航。且在DVL或USBL部分信息缺失的情况下仍能进行紧组合，提高了整个系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的水下紧组合导航方法的架构示意图。
图2是本发明实施例提供的水下紧组合导航装置的结构示意图。
图3是本发明的SINS/USBL的工作示意图。
图4是本发明的SINS/USBL紧组合示意图。
具体实施方式
下面将对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明组合导航方法解决了SINS/DVL组合导航位置误差仍会发散的问题；解决了SINS/USBL组合导航受水声换能器作用距离限制的问题；并且在DVL和USBL信息不足，如DVL只有受限数量的波束量测可用或USBL部分信息缺失时的情况下仍能进行紧组合。SINS/DVL/USBL紧组合导航装置能够兼具SINS/DVL紧组合和SINS/USBL紧组合导航的优点，达到互补，能够实现水下载体长续航高精度导航。本发明的基于联邦滤波的SINS/DVL/USBL紧组合导航方法，可以在一种导航信息缺失的条件下继续工作，很大程度地提高了整个装置的容错率，提高了装置的鲁棒性。
如图1所示，本发明实施例提供SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法包括：
步骤1，通过SINS公共参考系统获取水下载体姿态角信息、速度信息Vn＝[VE VNVU]T和位置信息[L λ h]T，将水下载体的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000071
以及将所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]。
步骤2，将步骤1获得的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000072
和DVL量测得到的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000073
两者输入到SINS/DVL子滤波器中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵，提高SINS导航精度。
步骤3，将步骤1获得的斜距和方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到SINS/USBL子滤波器中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵，提高SINS导航精度。
步骤4，将步骤2输出的第一状态估计和第一协方差阵与步骤3输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到SINS/DVL/USBL主滤波器，通过SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合，生成的全局最优估计值
Figure BDA0003631675030000074
及其相应的协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure BDA0003631675030000075
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure BDA0003631675030000076
Figure BDA0003631675030000077
其中，βm为主滤波器的信息分配系数，βi为第i个子滤波器的信息分配系数，可以选择不同的βm、βi为主、子滤波器设置不同数值的权重，一般多为βm＝0，βi＝1/N，
Figure BDA0003631675030000078
为主滤波器输出的状态估计，Pg为主滤波器输出的误差协方差阵。
步骤5，将主滤波器输出的状态估计
Figure BDA0003631675030000079
作为SINS公共参考系统的误差估计量，包括惯导姿态误差、速度误差和位置误差。利用
Figure BDA00036316750300000710
对SINS公共参考系统输出的水下载体姿态角信息、速度信息Vn＝[VE VN VU]T和位置信息[L λ h]T进行修正，并返回步骤1，这样可以修正SINS公共参考系统的误差，从而保证整个系统完成长时间高精度的导航。
在一个实施例中，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure BDA0003631675030000081
其中，
Figure BDA0003631675030000082
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000083
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000084
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure BDA0003631675030000085
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
当然，SINS/DVL/USBL主滤波器也可以采用现有的其他方法进行信息融合，再次不再一一列举。
本发明通过步骤4，建立了三种传感器在紧组合模式下的SINS/DVL/USB主滤波器，实现了多传感器的紧组合。
上述实施例中，步骤1中使用了通用误差模型状态方程(4)：
Figure BDA0003631675030000086
其中，FSINS为装置状态转移矩阵，其为已知的装置结构参数，XSINS为状态向量，本实施例中选取传统15维状态向量XSINS，如下式(5)所示，GSINS为噪声分配矩阵，WSINS为装置噪声，其为经验值，视为已知量：
Figure BDA0003631675030000087
其中，其中，
Figure BDA0003631675030000088
分别为惯导的航向、俯仰、横滚姿态角误差；δVE、δVN、δVU分别为惯导的东向、北向、天向速度误差；δL、δλ、δh分别为惯导的纬度、经度、高度误差；εx、εy、εz分别为惯导的陀螺零偏；
Figure BDA0003631675030000089
分别为惯导的加速度计零偏。
步骤2中，SINS/DVL子滤波器基于卡尔曼滤波器，将不同传感器数据组合得到，其状态方程表示为下式(6)：
Figure BDA00036316750300000810
其中，FSINS/DVL为SINS/DVL子滤波器的状态转移矩阵，WSINS/DVL为SINS/DVL子滤波器的装置噪声，XSINS/DVL为SINS/DVL子滤波器的状态向量，本实施例选择XSINS/DVL为20维状态量，如下式(7)所示：
Figure BDA0003631675030000091
其中，
Figure BDA0003631675030000092
分别为惯导的航向、俯仰、横滚姿态角误差；δVE、δVN、δVU分别为惯导的东向、北向、天向速度误差；δL、δλ、δh分别为惯导的纬度、经度、高度误差；
Figure BDA0003631675030000093
分别为惯导的陀螺零偏；
Figure BDA0003631675030000094
分别为惯导的加速度计零偏；δbD1、δbD2、δbD3、δbD4分别为DVL的四个波束零偏；δsD为DVL的刻度因子。
其中，步骤2中的将步骤1输出的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系(d系)下的DVL原始波束
Figure BDA0003631675030000095
表示为式(8)：
Figure BDA0003631675030000096
其中，M为载体坐标系(b系)到DVL坐标系的转换，
Figure BDA0003631675030000097
为导航坐标系(n系)到载体坐标系(b系)的转换，VD表示波束信息，Vn表示导航坐标系速度，即惯导解算得到的导航坐标系下的速度，Vn为由东向速度VE、北向速度VN、天向速度VU组成的三维量，δVn为导航坐标系速度误差，
Figure BDA0003631675030000098
为由航向角误差
Figure BDA0003631675030000099
俯仰角误差
Figure BDA00036316750300000910
横滚姿态角误差
Figure BDA00036316750300000911
组成的失准角误差向量。
卡尔曼滤波的量测方程表示为式(9)：
ZSINS/DVL＝HSINS/DVLXSINS/DVL+VSINS/DVL (9)
其中，ZSINS/DVL为量测值向量，其表示为式(10)；HSINS/DVL为转移矩阵；VSINS/DVL为噪声。
Figure BDA00036316750300000912
其中，
Figure BDA00036316750300000913
为量测到的原始波束速度，
Figure BDA00036316750300000914
为将步骤1输出的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度。
需要说明的是，文中的下标1、2、3、4分别表示与其同为下标的SINS或DVL对应的四个波束，可以使用第一、第二、第三和第四加以区分。
DVL输出的量测到的原始波束速度
Figure BDA00036316750300000915
为真值VD、刻度因数误差δsD、常值误差δbD以及白噪声wD的叠加，除真值以外的误差项可以通过对传感器进行测定得到，即：量测到的原始波束速度
Figure BDA00036316750300000916
表示为下式(11)：
Figure BDA00036316750300000917
其中，δbD＝[δbD1δbD2δbD3δbD4]T。
结合式(9)，则可以得到下式(12)：
Figure BDA0003631675030000101
式中，
Figure BDA0003631675030000102
为导航坐标系(n系)到载体坐标系(b系)的坐标系变换，
Figure BDA0003631675030000103
表示惯导的失准角误差，δVn为Vn的误差项。
进而可得到转移矩阵HSINS/DVL表示为下式(13)：
Figure BDA0003631675030000104
式中，04×3为4乘3阶的零矩阵，04×6为4乘6阶的零矩阵，I4×4为4乘4的单位矩阵，×表示反对称矩阵运算。
步骤3中，如图3和图4所示，SINS/USBL子滤波器基于卡尔曼滤波器，将不同传感器数据组合得到，其状态方程表示为下式(14)：
Figure BDA0003631675030000105
其中，FSINS/USBL为SINS/USBL装置的状态转移矩阵，WSINS/USBL为SINS/USBL装置的装置噪声，XSINS/USBL为SINS/USBL装置的状态向量，本实施例选择XSINS/USBL可以为下式(15)所示的15维状态量：
Figure BDA0003631675030000106
[αu βu ru]为USBL直接输出的原始斜距、方位角，下标u均对应USBL声学基阵坐标系(u系)，[αs βs rs]为解算出应答器相对SINS投影于声学基阵(u系)的方位角和斜距信息，两者的差值作为卡尔曼滤波量测量。
Figure BDA0003631675030000107
分别为惯导的航向、俯仰、横滚姿态角误差；δVE、δVN、δVU分别为惯导的东向、北向、天向速度误差；δL、δλ、δh分别为惯导的纬度、经度、高度误差；
Figure BDA0003631675030000108
分别为惯导的陀螺零偏；
Figure BDA0003631675030000109
分别为惯导的加速度计零偏。
将应答器在u系中的坐标设置为
Figure BDA00036316750300001010
则应答器坐标与方位角、斜距的关系表示为式(16)：
Figure BDA00036316750300001011
对上式(16)求偏微分可得式(17)：
Figure BDA00036316750300001012
其中：
Figure BDA00036316750300001013
Figure BDA0003631675030000111
式中，δxuT表示u系中的x轴方向误差，δyuT表示u系中的y轴方向误差，δzuT表示u系中的z轴方向误差，As为用于简化公式的中间参数，没有实际的物理意义。
应答器相对SINS在e系上的相对位置
Figure BDA0003631675030000112
表示为式(20)：
Figure BDA0003631675030000113
式中，RMh＝RM+h，RM为子午圈主曲率半径，RNh＝RN+h，，RN为卯酉圈主曲率半径，RM、RN均为地球参数；应答器的位置为
Figure BDA0003631675030000114
LT对应为纬度，λT对应为经度，hT对应为高度；SINS的解算的载体位置为
Figure BDA0003631675030000115
Figure BDA0003631675030000116
为应答器相对SINS在e系上的相对位置
Figure BDA0003631675030000117
的三维坐标。
通过坐标变换并补偿杆臂误差，在u系下应答器相对SINS的位置
Figure BDA0003631675030000118
表示为式(21)：
Figure BDA0003631675030000119
式中，
Figure BDA00036316750300001110
为b系和u系之间的杆臂误差，从图3中可以看到；
Figure BDA00036316750300001111
为n系(导航坐标系)到b系(载体坐标系)的坐标系变换，
Figure BDA00036316750300001112
为e系(地球坐标系)到n系之间的坐标系变换。
Figure BDA00036316750300001113
在[L λ]T处泰勒展开，对应的误差
Figure BDA00036316750300001114
的形式为：
Figure BDA00036316750300001115
将上述各式代入可得式(22)：
Figure BDA00036316750300001116
式中，
Figure BDA0003631675030000121
是惯导的失准角误差。δλ是惯导经度的误差；
Figure BDA0003631675030000122
是
Figure BDA0003631675030000123
的误差项；
Figure BDA0003631675030000124
是
Figure BDA0003631675030000125
的误差项。
其中，根据反对称矩阵具有交换性，则有下式(23)和式(24)
Figure BDA0003631675030000126
Figure BDA0003631675030000127
Figure BDA0003631675030000128
Figure BDA0003631675030000129
Figure BDA00036316750300001210
式中，Bs和Cs均为用于简化公式的中间参数，没有实际的物理意义。δp＝[δL δλ δh]T为惯导位置误差
将各式(23)、(24)、(26)代入(22)，进一步整理得下式(28)：
Figure BDA00036316750300001211
解算出应答器相对SINS投影于u系的方位角αs、βs和斜距rs为式(29)：
Figure BDA00036316750300001212
其中，[α β r]T为真值，
Figure BDA00036316750300001213
USBL观测到的斜距和方位角可以表示为式(30)：
Figure BDA00036316750300001214
两式相减得式(31)：
Figure BDA00036316750300001215
量测矩阵HSINS/USBL为式(32)：
Figure BDA00036316750300001216
通过上述方法，即可得到装置输出最优的状态量和协方差阵。再对SINS误差进行反馈校正，提高SINS的导航定位精度，保证整个装置的长时间高精度定位。
此外，本发明实施例还提供一种水下载体控制设备，以实施上述方法，如图2所示。该设备包括载体地面端、决策规划单元、导航定位单元、智能控制单元和底层驱动单元；其中，载体地面端负责下发路径跟踪控制任务，决策规划单元则接收地面端下发任务进行处理并转发到智能控制单元，导航定位单元包括DVL单元、超短基线单元、惯导单元以及导航计算单元，导航定位单元使用如权利要求1-5中任一方法进行定位。载体地面端可以是水下载体控制器，放在地面上用来控制水下载体；水下载体如AUV等。
其中，载体地面端负责下发路径跟踪控制任务。决策规划单元则接收地面端下发任务进行处理并转发到智能控制单元。导航定位单元包括DVL单元、超短基线单元、惯导单元以及导航计算单元。导航定位单元使用本发明中的水下紧组合导航方法进行定位。DVL单元负责量测载体的行驶速度，超短基线单元量测载体在水下的位置，惯导单元量测载体的实时姿态信息，并将这些信息统一发送到导航计算单元进行计算。智能控制单元则进行路径跟踪控制。底层驱动单元则负责驱动水下载体沿着期望路径运动。
本发明实施例还提供一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航装置，包括导航定位单元，该导航定位单元还包括：
SINS公共参考系统，其用于将惯导单元测得的水下载体的速度信息Vn＝[VE VNVU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000131
以及将惯导单元测得的所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]；
SINS/DVL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转化的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000132
和DVL单元量测得到的原始波束速度
Figure BDA0003631675030000133
两者输入到中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵；
SINS/USBL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转化的斜距和方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵；
SINS/DVL/USBL主滤波器，其用于将SINS/DVL子滤波器输出的第一状态估计和第一协方差阵与SINS/DVL子滤波器输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到，通过SINS/DVL/USB主滤波器进行信息融合，生成的全局最优估计值
Figure BDA0003631675030000134
及其相应的协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure BDA0003631675030000135
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure BDA0003631675030000141
Figure BDA0003631675030000142
其中，βm为主滤波器的信息分配系数；βi为第i个子滤波器的信息分配系数，
Figure BDA0003631675030000143
为主滤波器输出的状态估计，Pg为主滤波器输出的误差协方差阵。
信息修正单元，其用于将主滤波器输出的状态估计
Figure BDA0003631675030000144
作为SINS公共参考系统的误差估计量，并利用
Figure BDA0003631675030000145
对SINS公共参考系统输出的信息进行修正。
在一个实施例中，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure BDA0003631675030000146
其中，
Figure BDA0003631675030000147
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000148
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure BDA0003631675030000149
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure BDA00036316750300001410
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
上述使用的是联邦式卡尔曼滤波，也可以使用集中式卡尔曼滤波对SINS/DVL/USBL三者的紧组合进行数据融合。
上述实施例仅用于说明本发明，其中各部分的原理方式等都是可以有所变化的，如联邦滤波的方法等，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，包括：
步骤1，通过SINS公共参考系统将水下载体的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000011
以及将水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]；
步骤2，将步骤1获得的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000012
和DVL量测得到的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000013
两者输入到SINS/DVL子滤波器中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵；
步骤3，将步骤1获得的斜距和方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αuβu ru]输入到SINS/USBL子滤波器中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵；
步骤4，将步骤2输出的第一状态估计和第一协方差阵与步骤3输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到SINS/DVL/USBL主滤波器，通过SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合，生成的全局最优状态估计值
Figure RE-FDA0003769696810000014
及其相应的误差协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure RE-FDA0003769696810000015
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure RE-FDA0003769696810000016
Figure RE-FDA0003769696810000017
其中，βm为主滤波器的信息分配系数；βi为第i个子滤波器的信息分配系数；
步骤5，将主滤波器输出的状态估计
Figure RE-FDA0003769696810000018
作为SINS公共参考系统的误差估计量，并利用
Figure RE-FDA0003769696810000019
对SINS公共参考系统输出的信息进行修正，并返回步骤1。
2.如权利要求1所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure RE-FDA0003769696810000021
其中，
Figure RE-FDA0003769696810000022
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure RE-FDA0003769696810000023
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure RE-FDA0003769696810000024
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure RE-FDA0003769696810000025
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
3.如权利要求1或2所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，步骤1中使用误差模型状态方程(4)：
Figure RE-FDA0003769696810000026
其中，XSINS为15维状态向量，如下式(5)所示，
Figure RE-FDA0003769696810000027
为XSINS关于时间的一阶导数，FSINS为装置状态转移矩阵，GSINS为噪声分配矩阵，WSINS为装置噪声：
Figure RE-FDA0003769696810000028
其中，
Figure RE-FDA0003769696810000029
分别为惯导的航向、俯仰、横滚姿态角误差；δVE、δVN、δVU分别为惯导的东向、北向、天向速度误差；δL、δλ、δh分别为惯导的纬度、经度、高度误差；εx、εy、εz分别为惯导的陀螺零偏；
Figure RE-FDA00037696968100000210
分别为惯导的加速度计零偏。
4.如权利要求1或2所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，将速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的DVL原始波束
Figure RE-FDA00037696968100000211
表示为式(8)：
Figure RE-FDA00037696968100000212
其中，M为载体坐标系到DVL坐标系的转换，
Figure RE-FDA00037696968100000213
为导航坐标系到载体坐标系的转换，VD表示波束信息，Vn表示步骤1的水下载体的速度，即惯导解算得到的导航坐标系下的速度，Vn为由东向速度VE、北向速度VN、天向速度VU组成的三维量，δVn为导航坐标系速度误差，
Figure RE-FDA00037696968100000214
为由航向角误差
Figure RE-FDA00037696968100000215
俯仰角误差
Figure RE-FDA00037696968100000216
横滚姿态角误差
Figure RE-FDA00037696968100000217
组成的失准角误差向量。
5.如权利要求1或2所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，将所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]为式(29)：
Figure RE-FDA00037696968100000218
其中，[α β r]T为真值，
Figure RE-FDA0003769696810000031
δp＝[δL δλ δh]T为位置误差；
其中，
Figure RE-FDA0003769696810000032
Figure RE-FDA0003769696810000033
Figure RE-FDA0003769696810000034
式中，
Figure RE-FDA0003769696810000035
为应答器在u系中的三维坐标，
Figure RE-FDA0003769696810000036
为应答器相对SINS在e系上的相对位置
Figure RE-FDA0003769696810000037
的三维坐标，L对应为惯导解算的维度，λ对应为惯导解算的经度，h对应为惯导解算的高度，RMh＝RM+h，RM为子午圈主曲率半径，RNh＝RN+h，RN为卯酉圈主曲率半径，
Figure RE-FDA0003769696810000038
为导航坐标系n系到载体坐标系b系的坐标系变换，
Figure RE-FDA0003769696810000039
为地球坐标系e系到导航坐标系n系的坐标系转换，As、Bs和Cs均为用于简化公式的中间参数。
6.如权利要求5所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航方法，其特征在于，步骤3采用式(31)将SINS解算位置转换的斜距、方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到SINS/USBL子滤波器中进行组合：
Figure RE-FDA00037696968100000310
式中，
Figure RE-FDA00037696968100000311
表示惯导的失准角误差，δp表示惯导解算的位置误差，
Figure RE-FDA00037696968100000312
表示与惯导失准角误差对应相乘的量测矩阵，Hδp表示与惯导解算位置误差对应相乘的量测矩阵。
7.一种水下载体控制设备，其特征在于，包括载体地面端、决策规划单元、导航定位单元、智能控制单元和底层驱动单元；其中，载体地面端负责下发路径跟踪控制任务，决策规划单元则接收地面端下发任务进行处理并转发到智能控制单元，导航定位单元包括DVL单元、超短基线单元、惯导单元以及导航计算单元，导航定位单元使用如权利要求1-5中任一方法进行定位。
8.一种SINS/DVL/USBL水下紧组合导航装置，包括导航定位单元，其特征在于，导航定位单元还包括：
SINS公共参考系统，其用于将惯导单元测得的水下载体的速度信息Vn＝[VE VN VU]T转化为DVL坐标系下的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000041
以及将惯导单元测得的所述水下载体的位置信息[L λ h]T转化为USBL声学基阵坐标系下的斜距和方位角[αs βs rs]；
SINS/DVL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转换的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000042
和DVL单元量测得到的原始波束速度
Figure RE-FDA0003769696810000043
两者输入到中进行组合，输出第一状态估计和第一协方差阵；
SINS/USBL子滤波器，其用于将SINS公共参考系统转换的斜距、方位角[αs βs rs]和USBL量测得到的原始斜距、方位角[αu βu ru]输入到中进行组合，输出第二状态估计和第二协方差阵；
SINS/DVL/USBL主滤波器，其用于将SINS/DVL子滤波器输出的第一状态估计和第一协方差阵与SINS/DVL子滤波器输出的第二状态估计和第二协方差阵输入到，通过SINS/DVL/USB主滤波器进行信息融合，生成的全局最优估计值
Figure RE-FDA0003769696810000044
及其相应的协方差阵Pg，然后按照下式(1)和式(2)示出的分配规则将第i个子滤波器的误差协方差阵Pi和第i个子滤波器的噪声阵Qi反馈给相应的第i个子滤波器，以重置第i个子滤波器输出的状态估计值
Figure RE-FDA0003769696810000045
其中，式(1)示出的是装置信息在主、子滤波器间的分配方式是基于信息分配原则，式(2)示出的是装置信息在各子滤波器中的具体分配方法：
Figure RE-FDA0003769696810000046
Figure RE-FDA0003769696810000047
其中，βm为主滤波器的信息分配系数；βi为第i个子滤波器的信息分配系数；
信息修正单元，其用于将主滤波器输出的状态估计
Figure RE-FDA0003769696810000048
作为SINS公共参考系统的误差估计量，并利用
Figure RE-FDA0003769696810000049
对SINS公共参考系统输出的信息进行修正。
9.如权利要求8所述的SINS/DVL/USBL水下紧组合导航装置，其特征在于，SINS/DVL/USBL主滤波器进行信息融合的方法表示为下式(3)：
Figure RE-FDA0003769696810000051
其中，
Figure RE-FDA0003769696810000052
表示主滤波器g在k时刻的协方差阵，
Figure RE-FDA0003769696810000053
表示子滤波器i的k-1时刻状态预测k时刻状态结果对应的协方差阵，
Figure RE-FDA0003769696810000054
表示主滤波器g在k时刻的状态向量，
Figure RE-FDA0003769696810000055
表示子滤波器器i利用k时刻的量测值得到的k时刻最优估算状态向量。
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