基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法，其特征在于，該導(dǎo)航方法應(yīng)用于一基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括多普勒計程儀、捷聯(lián)慣性測量單元、捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊和中央處理單元；所述的多普勒計程儀包括收發(fā)器、四個換能器和接口單元；所述多普勒計程儀通過該接口單元與中央處理單元相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元包括三軸陀螺和三軸加速度計；所述捷聯(lián)慣性測量單元與捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊與中央處理單元相連接；該導(dǎo)航方法包括若干步驟，該方法可以整合多個子導(dǎo)航傳感器信息，優(yōu)勢互補以得到更高精度和更可靠的導(dǎo)航信息。
【專利說明】基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法，屬于水下及水面航行器的導(dǎo)航及定位跟蹤領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]AUV(Autonomous Underwater Vehicle自主水下航行器)是探索和開發(fā)利用海洋環(huán)境資源的重要工具，也在海洋軍事應(yīng)用方面發(fā)揮著重要作用。因其遠程性、隱蔽性和自主性，使得AUV的導(dǎo)航問題仍是目前面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。由于水下環(huán)境復(fù)雜，常采用組合導(dǎo)航方式對AUV進行導(dǎo)航定位，而組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波器設(shè)計是保證導(dǎo)航精度的關(guān)鍵。目前常規(guī)AUV的導(dǎo)航定位精度可達到〈0.8nmile / h左右，在一定程度上滿足了 AUV導(dǎo)航定位的精度要求。
[0003]SINS (Strapdown Inertial Navigation Systems捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng))系統(tǒng)具有自主導(dǎo)航能力，不受環(huán)境、載體機動及無線電干擾的影響，能夠連續(xù)的提供載體位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航定位信息，其數(shù)據(jù)更新頻率快，且在短時間內(nèi)具有較高的相對精度。但是，隨著系統(tǒng)工作時間的延長，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差會隨之積累增長，此時就需要利用外部傳感器的觀測信息通過濾 波算法來修正補償捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，以抑制其隨時間積累的誤差。
[0004]DVL(Doppler Velocity Log多普勒計程儀)是廣泛應(yīng)用于水下及水面航行器組合系統(tǒng)的速度測量裝置，具有實時輸出載體三維速度與航程能力的聲學(xué)導(dǎo)航定位系統(tǒng)。多普勒系統(tǒng)通過安裝于AUV底部的四個換能器信息求得聲波頻移，進而計算得到載體在載體系的三維速度信息，具有精度高、可靠性、實時性等優(yōu)點。但是由于水下環(huán)境復(fù)雜、航位推算系統(tǒng)位置誤差隨時間累積以及AUV的長航時、隱蔽性要求，基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)/多普勒的航位推算組合系統(tǒng)的常規(guī)濾波算法精度難以達到高精度導(dǎo)航定位功能需求。
[0005]基于Krein空間的H ^?濾波算法對系統(tǒng)統(tǒng)計特性不作任何假設(shè)，具有濾波模型簡單、魯棒性好的優(yōu)點，因此常被應(yīng)用于AUV導(dǎo)航系統(tǒng)。但是H c?濾波器跟蹤機動過程能力較弱，實時性難以保證。當(dāng)由于模型不確定性等因素的影響，造成濾波器的狀態(tài)估計值偏離系統(tǒng)狀態(tài)時，必然會在輸出殘差序列的均值與幅值上有所表現(xiàn)，此時若在線調(diào)整時變增益矩陣，使得系統(tǒng)估計誤差方差最小的同時保持殘差序列仍然相互正交，即滿足正交性原理，則可迫使濾波器保持對實際系統(tǒng)狀態(tài)的高精度跟蹤。本發(fā)明通過在H c?濾波算法中引入次優(yōu)漸消因子對過去的數(shù)據(jù)實施漸消，以減弱老數(shù)據(jù)對當(dāng)前濾波估計值的影響，即可通過實時調(diào)節(jié)估計誤差方差矩陣以及相應(yīng)的增益矩陣以滿足正交性原理，迫使濾波器對實際系統(tǒng)狀態(tài)的高精度跟蹤，并最大程度地提取輸出殘差中一切有效信息，為了進一步提高濾波器的自適應(yīng)能力，對以漸消因子為對角線元素的漸消矩陣的求解做優(yōu)化處理，使得濾波器對初始參數(shù)不再敏感，得到一種高跟蹤性能的優(yōu)化濾波算法。該濾波算法具有較強的關(guān)于模型不確定性的魯棒性以及對系統(tǒng)機動過程的跟蹤能力，并保持了 H c?濾波模型簡單的優(yōu)點，運用所提出的優(yōu)化濾波算法在保證導(dǎo)航精度的基礎(chǔ)上可以顯著提高跟蹤性能，有助于進一步提升捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航定位性能，滿足現(xiàn)代AUV導(dǎo)航系統(tǒng)對隱蔽性、精確性、適用性的要求，也為AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供了一個嶄新的思路，具有重要的理論意義和工程實用價值。
[0006]基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)/多普勒的AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)將捷聯(lián)慣性制導(dǎo)、多普勒與本發(fā)明所提出的優(yōu)化濾波算法的優(yōu)勢結(jié)合在一起，可提供載體高精度的實時導(dǎo)航跟蹤參數(shù)，解決了 AUV導(dǎo)航系統(tǒng)易受水下復(fù)雜環(huán)境影響、捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的導(dǎo)航定位誤差隨時間延續(xù)不斷累積達不到精度要求以及常規(guī)H c?濾波算法在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)對機動過程跟蹤性能較弱，造成濾波精度下降的問題，提高了系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度及魯棒性。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種用于基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)/多普勒的AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)化濾波方法。利用所設(shè)計的濾波器將多普勒測速信息引入AUV組合系統(tǒng)，以輔助捷聯(lián)慣性制導(dǎo)進行導(dǎo)航及跟蹤定位。該方法可以整合多個子導(dǎo)航信息，克服了 AUV導(dǎo)航系統(tǒng)易受環(huán)境影響、捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位誤差隨時間延續(xù)不斷累積達不到精度要求以及常規(guī)H c?濾波算法在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)對機動過程跟蹤性能較弱，造成濾波算法精度下降的缺陷。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法，該導(dǎo)航方法應(yīng)用于一基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括多普勒計程儀、捷聯(lián)慣性測量單元、捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊和中央處理單元；所述的多普勒計程儀包括收發(fā)器、四個換能器和接口單元；所述多普勒計程儀通過該接口單元與中央處理單元相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元包括三軸陀螺和三軸加速度計；所述捷聯(lián)慣性測量單元與捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊與中央處理單元相連接；該導(dǎo)航方法包括以下步驟:
[0009](I)通過捷聯(lián)慣性測量單元組件中的三軸陀螺測得三軸角速度信息和加速度計測得三軸加速度信息，捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊接收捷聯(lián)慣性測量單元輸出的導(dǎo)航信息，通過導(dǎo)航積分計算獲得載體位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息；
[0010](2)通過多普勒計程儀的收發(fā)器中發(fā)射電振蕩信號，送給換能器；
[0011](3)通過多普勒計程儀的四個換能器發(fā)射超聲波和接收具有頻移特性的反射回波；
[0012](4)利用收發(fā)器中接收系統(tǒng)將換能器送來的回波信號經(jīng)放大處理后求得多普勒頻移并轉(zhuǎn)換為航速模擬信號送給接口單元。設(shè)載體航行速度為V，波束發(fā)射俯角為Θ，聲速C 乂 1500m / S，則單波束頻移計算公式為-Af=ZVfciC0s Θ / C，由此可得速度計算公式為:V=AfC / (2f0cos Θ )；
[0013](5)利用收發(fā)器中接口單元將收發(fā)器送來的四個航速模擬信號轉(zhuǎn)換為航速，并以數(shù)字方式向中央處理單元輸出；
[0014](6)中央處理單元中的運算器根據(jù)多普勒計程儀的接口單元輸出的速度信息周期性地計算載體的實時三維載體系速度量；
[0015](7)中央處理單元中的濾波模塊對接收到的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航導(dǎo)航信息、多普勒計程儀的三維速度信息進行濾波融合計算得到k時刻的慣性捷聯(lián)測量系統(tǒng)校正量&，校正后得到最終高精度的導(dǎo)航定位信息；[0016]所述的濾波融合計算得到慣性捷聯(lián)測量系統(tǒng)校正量的方法為:
[0017]將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航作為參考系統(tǒng)，狀態(tài)變量X取速度誤差(?ΤΛ?1.7)、姿態(tài)角誤差(φχ，(J)y，φζ)、加速度計隨機常值偏置(U,,,)和陀螺隨機常值漂移(ε χ，ε y, ε z)，共10維
【權(quán)利要求】
1.一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的優(yōu)化導(dǎo)航方法，其特征在于，該導(dǎo)航方法應(yīng)用于一基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)包括多普勒計程儀、捷聯(lián)慣性測量單 元、捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊和中央處理單元；所述的多普勒計程儀包括收發(fā)器、四個換能器和接口單元；所述多普勒計程儀通過該接口單元與中央處理單元相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元包括三軸陀螺和三軸加速度計；所述捷聯(lián)慣性測量單元與捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊相連接；所述捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊與中央處理單元相連接；該導(dǎo)航方法包括以下步驟: (1)通過捷聯(lián)慣性測量單元組件中的三軸陀螺測得三軸角速度信息和加速度計測得三軸加速度信息，捷聯(lián)慣性測量單元處理模塊接收捷聯(lián)慣性測量單元輸出的導(dǎo)航信息，通過導(dǎo)航積分計算獲得載體位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息； (2)通過多普勒計程儀的收發(fā)器中發(fā)射電振蕩信號，送給換能器； (3)通過多普勒計程儀的四個換能器發(fā)射超聲波和接收具有頻移特性的反射回波； (4)利用收發(fā)器中接收系統(tǒng)將換能器送來的回波信號經(jīng)放大處理后求得多普勒頻移并轉(zhuǎn)換為航速模擬信號送給接口單元。設(shè)載體航行速度為V，波束發(fā)射俯角為Θ，聲速C 乂 1500m / s，則單波束頻移計算公式為-Af=ZVfcicos Θ / C，由此可得速度計算公式為:V=AfC / (2f0cos Θ )； (5)利用收發(fā)器中接口單元將收發(fā)器送來的四個航速模擬信號轉(zhuǎn)換為航速，并以數(shù)字方式向中央處理單元輸出； (6)中央處理單元中的運算器根據(jù)多普勒計程儀的接口單元輸出的速度信息周期性地計算載體的實時三維載體系速度量； (7)中央處理單元中的濾波模塊對接收到的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航導(dǎo)航信息、多普勒計程儀的三維速度信息進行濾波融合計算得到k時刻的慣性捷聯(lián)測量系統(tǒng)校正量\校正后得到最終高精度的導(dǎo)航定位信息； 所述的濾波融合計算得到慣性捷聯(lián)測量系統(tǒng)校正量的方法為: 將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航作為參考系統(tǒng)，狀態(tài)變量X取速度誤差(& Λ、姿態(tài)角誤差(Φ x，Φ,, Φζ)、加速度計隨機常值偏置(V,，Vv )和陀螺隨機常值漂移(εχ，ey, εζ)，共10維:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的捷聯(lián)慣性測量單元的三軸陀螺儀三軸正交安裝，所述的三軸加速度計三軸正交安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的捷聯(lián)慣性測量單元的三軸陀螺儀為光纖陀螺儀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述的三軸加速度計為石英撓性加速度計。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航方法，其特征在于， 所述多普勒計程儀的收發(fā)器包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和計算補償電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于捷聯(lián)慣性制導(dǎo)和多普勒計程儀的導(dǎo)航方法，其特征在于，所述導(dǎo)航系統(tǒng)還包括顯示器，所述顯示器與運算器相連接，顯示中央處理器運算得到的導(dǎo)航信息。
【文檔編號】G01C21/16GK103697887SQ201310654553
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】程向紅, 許立平 申請人:東南大學(xué)