基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法技术

本发明专利技术公开一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法，其特征在于，该导航方法应用于一基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航系统，该导航系统包括多普勒计程仪、捷联惯性测量单元、捷联惯性测量单元处理模块和中央处理单元；所述的多普勒计程仪包括收发器、四个换能器和接口单元；所述多普勒计程仪通过该接口单元与中央处理单元相连接；所述捷联惯性测量单元包括三轴陀螺和三轴加速度计；所述捷联惯性测量单元与捷联惯性测量单元处理模块相连接；所述捷联惯性测量单元处理模块与中央处理单元相连接；该导航方法包括若干步骤，它克服了AUV导航系统易受环境影响以及捷联惯性导航系统的导航定位误差随时间延续不断累积达不到精度要求的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法
本专利技术涉及一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法，属于水下及水面航行器的导航及定位跟踪领域。
技术介绍
AUV(AutonomousUnderwaterVehicle自主水下航行器)是探索和开发利用海洋环境资源的重要工具，也在海洋军事应用方面发挥着重要作用。因其远程性、隐蔽性和自主性，使得AUV的导航问题仍是目前面临的主要技术挑战之一。由于水下环境复杂，常采用组合导航方式对AUV进行导航定位，而组合导航系统滤波器设计是保证导航精度的关键。目前常规AUV的导航定位精度可达到<0.8nmile/h左右，在一定程度上满足了AUV导航定位的精度要求。SINS(StrapdownInertialNavigationSystems捷联惯性导航系统)系统具有自主导航能力，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能够连续的提供载体位置、速度和姿态等导航定位信息，其数据更新频率快，且在短时间内具有较高的相对精度。但是，随着系统工作时间的延长，捷联惯性导航系统的导航误差会随之积累增长，此时就需要利用外部传感器的观测信息通过滤波算法来修正补偿捷联惯性导航系统，以抑制其随时间积累的误差。DVL(DopplerVelocityLog多普勒计程仪)是广泛应用于水下及水面航行器组合系统的速度测量装置，具有实时输出载体三维速度与航程能力的声学导航定位系统。多普勒系统通过安装于AUV底部的四个换能器信息求得声波频移，进而计算得到载体在载体系的三维速度信息，具有精度高、可靠性、实时性等优点。但是由于水下环境复杂、航位推算系统位置误差随时间累积以及AUV的长航时、隐蔽性要求，基于捷联惯性导航/多普勒的组合系统的常规滤波算法精度难以达到高精度导航定位功能需求。常规H∞滤波算法对系统统计特性不作任何假设，具有滤波模型简单、鲁棒性好的优点，因此常应用于AUV导航系统。但是常规H∞滤波器跟踪机动过程能力较弱，实时性难以保证。当由于模型不确定性等因素的影响，造成滤波器的状态估计值偏离系统状态时，必然会在输出残差序列的均值与幅值上有所表现，此时若在线调整时变增益矩阵，使得系统估计误差方差最小的同时保持残差序列仍然相互正交，即满足正交性原理，则可迫使滤波器保持对实际系统状态的高精度跟踪。本专利技术通过在H∞滤波算法中引入次优渐消因子对过去的数据实施渐消，以减弱老数据对当前滤波估计值的影响，即通过实时调节估计误差方差矩阵以及相应的增益矩阵以满足正交性原理，迫使滤波器对实际系统状态的高精度跟踪，并最大程度地提取输出残差中一切有效信息，得到一种高跟踪性能的滤波算法。该滤波算法具有较强的关于模型不确定性的鲁棒性以及对系统机动过程的跟踪能力，并保持了H∞滤波模型简单的优点，实现滤波器对于AUV机动过程系统状态的跟踪，具有重要的理论意义和工程实用价值。基于捷联惯性导航/多普勒的AUV组合导航系统将捷联惯性导航、多普勒与本专利技术所提出的滤波算法的优势结合在一起，可提供载体高精度的实时导航跟踪参数，解决了AUV导航系统易受环境影响以及捷联惯性导航的导航定位误差随时间延续不断累积达不到精度要求的问题。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于，克服现有技术的不足，提出了一种用于捷联惯性导航/多普勒的AUV组合导航系统的滤波方法。利用所设计的滤波器将多普勒测速信息引入AUV组合系统，以辅助捷联惯性导航进行导航定位。该方法可以整合多个子导航信息，克服了AUV导航系统易受环境影响以及捷联惯性导航系统的导航定位误差随时间延续不断累积达不到精度要求的缺陷。技术方案：本专利技术所述的一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法，该导航方法应用于一基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航系统，该导航系统包括多普勒计程仪、捷联惯性测量单元、捷联惯性测量单元处理模块和中央处理单元；所述的多普勒计程仪包括收发器、四个换能器和接口单元；所述多普勒计程仪通过该接口单元与中央处理单元相连接；所述捷联惯性测量单元包括三轴陀螺和三轴加速度计；所述捷联惯性测量单元与捷联惯性测量单元处理模块相连接；所述捷联惯性测量单元处理模块与中央处理单元相连接；该导航方法包括以下步骤：(1)通过捷联惯性测量单元组件中的三轴陀螺测得三轴角速度信息和加速度计测得三轴加速度信息，捷联惯性测量单元处理模块接收捷联惯性测量单元输出的导航信息，通过导航积分计算获得载体位置、速度和姿态导航信息；(2)通过多普勒计程仪的收发器中发射电振荡信号，送给换能器；(3)通过多普勒计程仪的四个换能器发射超声波和接收具有频移特性的反射回波；(4)利用收发器中接收系统将换能器送来的回波信号经放大处理后求得多普勒频移并转换为航速模拟信号送给接口单元。设载体航行速度为V，波束发射俯角为θ，声速C≈1500m/s，则单波束频移计算公式为：Δf＝2Vf0cosθ/C，由此可得速度计算公式为：V＝ΔfC/(2f0cosθ)；(5)利用收发器中接口单元将收发器送来的四个航速模拟信号转换为航速，并以数字方式向中央处理单元输出；(6)中央处理单元中的运算器根据多普勒计程仪的接口单元输出的速度信息周期性地计算载体的实时三维载体系速度量；(7)中央处理单元中的滤波模块对接收到的捷联惯性导航导航信息、多普勒计程仪的三维速度信息进行滤波融合计算得到k时刻的惯性捷联测量系统校正量校正后得到最终高精度的导航定位信息；所述的滤波融合计算得到惯性捷联测量系统校正量的方法为：将捷联惯性导航作为参考系统，状态变量X取速度误差姿态角误差(φe,φn,φu)、加速度计随机常值偏置和陀螺随机常值漂移(εx,εy,εz)，共10维：W＝[wax,way,wgx,wgy,wgz,0,0,0,0,0]T为系统噪声向量；以捷联惯性导航解算出的速度与多普勒计程仪测得的载体系速度经转换到导航系后两者之差作为系统的量测值，则量测方程表示为：其中，观测向量为量测噪声向量V＝[wvx,wvy]T，系统量测矩阵为H，将系统状态方程和量测方程离散化可得离散系统滤波方程；利用初值和P0，根据k时刻的量测Zk就可以递推算到k时刻的状态估计其中其中：Λ(k)＝diag[λ1(k),λ2(k),…λn(k)]，λi(k)≥1；i＝1,2,…,n。在次寻优方法中，根据系统的先验知识确定λ1(k):λ2(k):…:λn(k)的初值为：λ1(k):λ2(k):…:λn(k)＝α1:α2:…:αn，式中，αi≥1(i＝1,2,…,n)，可得λi(k)的近似算法如下：其中，tr(A)表示对矩阵A的求迹运算，式中的V0,k由下式解算出：上式中，残差0.95≤ρ≤1为遗忘因子，取ρ＝0.95；β≥1为一选定的弱化因子，取β＝1。进一步地，所述的捷联惯性测量单元的三轴陀螺仪三轴正交安装，所述的三轴加速度计三轴正交安装。进一步地，所述的捷联惯性测量单元的三轴陀螺仪为光纤陀螺仪。进一步地，所述的三轴加速度计为石英挠性加速度计。进一步地，所述多普勒计程仪的收发器包括发射系统、接收系统和计算补偿电路。进一步地，所述导航系统还包括显示器，所述显示器与运算器相连接，显示中央处理器运算得到的导航信息。该导航系统包括：捷联惯性测量单元及捷联惯性测量单元处理模块、多普勒计程仪，安装于AUV上的收发器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法，其特征在于，该导航方法应用于一基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航系统，该导航系统包括多普勒计程仪、捷联惯性测量单元、捷联惯性测量单元处理模块和中央处理单元；所述的多普勒计程仪包括收发器、四个换能器和接口单元；所述多普勒计程仪通过该接口单元与中央处理单元相连接；所述捷联惯性测量单元包括三轴陀螺和三轴加速度计；所述捷联惯性测量单元与捷联惯性测量单元处理模块相连接；所述捷联惯性测量单元处理模块与中央处理单元相连接；该导航方法包括以下步骤：(1)通过捷联惯性测量单元组件中的三轴陀螺测得三轴角速度信息和加速度计测得三轴加速度信息，捷联惯性测量单元处理模块接收捷联惯性测量单元输出的导航信息，通过导航积分计算获得载体位置、速度和姿态等导航信息；(2)通过多普勒计程仪的收发器中发射电振荡信号，送给换能器；(3)通过多普勒计程仪的四个换能器发射超声波和接收具有频移特性的反射回波；(4)利用收发器中接收系统将换能器送来的回波信号经放大处理后求得多普勒频移并转换为航速模拟信号送给接口单元。设载体航行速度为V，波束发射俯角为θ，声速C≈1500m／s，则单波束频移计算公式为：Δf＝2Vf0cosθ／C，由此可得速度计算公式为：V＝ΔfC／(2f0cosθ)；(5)利用收发器中接口单元将收发器送来的四个航速模拟信号转换为航速，并以数字方式向中央处理单元输出；(6)中央处理单元中的运算器根据多普勒计程仪的接口单元输出的速度信息周期性地计算载体的实时三维载体系速度量；(7)中央处理单元中的滤波模块对接收到的捷联惯性导航导航信息、多普勒计程仪的三维速度信息进行滤波融台计算得到k时刻的惯性捷联测量系统校正量校正后得到最终高精度的导航定位信息；所述的滤波融合计算得到惯性捷联测量系统校正量的方法为：将捷联惯性导航作为参考系统，状态变量X取速度误差姿态角误差(φe，φn，φu)、加速度计随机常值偏置和陀螺随机常值漂移(εx，εy，εz)，共10维：X=[δVen,δVnn,φe,φn,φu,▿x,▿y,ϵx,ϵy,ϵz]T;]]>W=[wax，way，wgx，wgy，wgz，0，0，0，0，0]T为系统噪声向量；以捷联惯性导航解算出的速度与多普勒计程仪测得的载体系速度经转换到导航系后两者之差作为系统的量测值，则量测方程表示为：Z=VSINSen-CbnVDVLeVSINSnn-CbnVDVLn=HX+V]]>其中，观测向量为量测噪声向量V=[wvx，wvy]T，系统量测矩阵为H，将系统状态方程和量测方程离散化可得离散系统滤波方程；利用初值和P0，根据k时刻的量测Zk就可以递推算到k时刻的状态估计X^k(k=1,2,3,...):]]>X^k=Φk,k-1X^k-1+Kk(Zk-HkΦk,k-1X^k-1)]]>Kk=PkHkT(HkPkHkT+I)-1]]>其中Pk=Γk,k-1Γk,k-1T+Λ(k){Φk,k-1Pk-1Φk,k-1T-Φk,k-1Pk-1HkTLkTRe,k-1HkLkPk-1Φk,k-1T}]]>其中：Λ(k)=diag[λ1(k)，λ2(k)，…λn(k)]，λi(k)≥1；i＝1，2，…，n；在次寻优方法中，根据系统的先验知识大致确定λ1(k)：λ2(k)：…：λn(k)的初值为：λ1(k)：λ2(k)：…：λn(k)=α1：α2：…：αn，式中，αi≥1(i＝1，2，…，n)，则可得λi(k)的近似算法如下：λi(k)=αiλ0i,k,αiλ0i,k≥11,αiλ0i,k≤1]]>其中，λ0i,k=tr[N(k)]Σi=1nαi·Mii(k)]]>N(k)=V0,k-HkΓkΓkTHkT-βIk]]>M(k)={Φk,k-1Pk-1Φk,k-1T-Φk,k-1Pk-1HkTLkTRe,k-1HkLkPk-1Φk,k-1T}HkTHk]]>tr(A)表示对任意矩阵A的求迹运算，式中的V0，k由下式解算出：V0,k=γ1γ1T,k=0ρV0,k-1+γkγkT1+ρ,k≥1]]>上式中，残差0.95≤ρ≤1为遗忘因子，一般取ρ＝0.95；β≥1为弱化因子，一般取β=1。...

【技术特征摘要】
1.一种基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航方法，其特征在于，该导航方法应用于一基于捷联惯性制导和多普勒计程仪的导航系统，该导航系统包括多普勒计程仪、捷联惯性测量单元、捷联惯性测量单元处理模块和中央处理单元；所述的多普勒计程仪包括收发器、四个换能器和接口单元；所述多普勒计程仪通过该接口单元与中央处理单元相连接；所述捷联惯性测量单元包括三轴陀螺和加速度计；所述捷联惯性测量单元与捷联惯性测量单元处理模块相连接；所述捷联惯性测量单元处理模块与中央处理单元相连接；该导航方法包括以下步骤：(1)通过捷联惯性测量单元组件中的三轴陀螺测得三轴角速度信息和加速度计测得三轴加速度信息，捷联惯性测量单元处理模块接收捷联惯性测量单元输出的导航信息，通过导航积分计算获得载体位置、速度和姿态导航信息；(2)通过多普勒计程仪的收发器中发射电振荡信号，送给换能器；(3)通过多普勒计程仪的四个换能器发射超声波和接收具有频移特性的回波信号；(4)利用收发器中接收系统将换能器送来的回波信号经放大处理后求得多普勒频移并转换为航速模拟信号送给接口单元；设载体航速为V，波束发射俯角为θ，声速C≈1500m/s，则单波束频移计算公式为：Δf＝2Vf0cosθ/C，由此可得速度计算公式为：V＝ΔfC/(2f0cosθ)；(5)利用收发器中接口单元将收发器送来的四个航速模拟信号转换为航速，并以数字方式向中央处理单元输出；(6)中央处理单元中的运算器根据多普勒计程仪的接口单元输出的速度信息周期性地计算载体的实时三维载体系速度量；(7)中央处理单元中的滤波模块对接收到的捷联惯性导航信息、多普勒计程仪的三维速度信息进行滤波融合计算得到k时刻的惯性捷联测量系统校正量校正后得到最终高精度的导航定位信息；所述的滤波融合计算得到惯性捷联测量系统校正量的方法为：将捷联惯性导航作为参考系统，状态变量X取速度误差姿态角误差(φe,φn,φu)、加速度计随机常值偏置和陀螺随机常值漂移(εx,εy,εz)，共10维：W＝[wax,way,wgx,wgy,wgz,0,0,0,0,0]T为系统噪声向量；以捷联惯性导航解算出的速度与多普勒计程仪测得的载体系速度经转换到导航系后两者之差作为系统的量测值，则量测方程表示为：VSINSe是指捷联惯导系统解算的速度在导航坐标系中的东向分量；VSINSn是指捷联惯导系统解算的速度在导航坐标系中的北向分量；VDVLe是指多普勒计程仪测得的速度在载体系的东向分量；VDVLn是指多普勒计程仪测得的速度在载体系的北向分量；其中，观测向量为量测噪声向量V＝[wvx,wvy]T，系统量测矩阵为H，将系统状态方程和量测方程离散化可得离散系统滤波方程；利用初值和P0，根据k时刻的量测Zk就可以递推算到k时刻的状态估计k＝1，2，3，…：

【专利技术属性】
技术研发人员：程向红，许立平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32