一种声学多普勒测速径向波束角校正方法技术

一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，涉及组合导航及水声定位技术领域。本发明专利技术是为了解决目前还无法实现DVL波束角的标定，从而导致不能完全修正DVL的速度量测信息的问题。本发明专利技术包括：建立载体坐标系和导航坐标系，定义DVL波束的波束角及波束角初值；然后分别获取整条航迹中作业船在导航坐标系、载体坐标系下的导航信息；获取DVL在计算导航坐标系n

【技术实现步骤摘要】
一种声学多普勒测速径向波束角校正方法


[0001]本专利技术涉及组合导航及水声定位
，特别涉及一种声学多普勒测速径向波束角校正方法。

技术介绍

[0002]以SINS/DVL为代表的组合导航目前水下应用最为广泛和成熟。然而，随着航行器不断向远程化、智能化方向发展，要求水下作业时间越来越长、活动范围逐渐扩大、操控精度越来越高，对声学多普勒测速声呐校准精度提出了新要求。
[0003]紧耦合导航是实现复杂机动状态下精确导航的重要途径，紧耦合导航要求高精度的DVL各波束信息，而传统的基阵系标定模型认为DVL四波束对称且波束角已知，未考虑受机械加工误差影响，声学径向波束真实空间方位、比例因子矢量并非对称一致这一情况。若仍采用传统基阵系标定方法，将人为引入误差、影响紧耦合导航性能；文献[2](Li W,Zhang L,Sun F,et al.Alignment calibration of IMU and Doppler sensors for precision INS/DVL integrated navigation[J].Optik,2015,126(23):3872
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3876.)在导航系下，利用基于SVD的最小二乘法来解算出DVL(多普勒计程仪)基阵的三个安装偏角以及一个速度比例因子，文献[4](高伟,刘亚龙,徐博,池姗姗,肖永平,陈春,王文佳,郭宇,田学林.SINS/DVL组合导航系统一体化误差标定方法[P].黑龙江：CN103389115A,2013
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11/>‑
13.)则是将GPS位移信息转换至载体系，对DVL进行航位推算得到载体系航迹，利用基于SVD的最小二乘解算出航向角。文献[1](Tang K,Wang J,Li W,et al.A novel INS and Doppler sensors calibration method for long range underwater vehicle navigation[J].Sensors,2013,13(11):14583
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14600.)提出了一种三点标定法，即只需在航迹起点及终点接收GPS位置信息就可标定出部分安装偏角，从而减小对外部数据的依赖性；文献[3](]James C.K,Louis L.Adaptive Identification on the Group of Rigid
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Body Rotations and its Application to Underwater Vehicle Navigation[J].IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS.2007,23(1):124
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136.)则是利用自适应技术对DVL的三个安装偏角进行标定估计；文献[5](熊明磊,陈龙冬,刘兵.标定SINS/DVL组合导航系统误差的方法和装置[P].北京市：CN112987054A,2021
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06
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18.)对测速误差建立非线性模型，利用高斯牛顿法对DVL速度比例因子以及航向角误差进行标定；文献[6](刘静晓,李海兵,马思乐,罗建刚,李海虎,张峰,罗骋,张同伟,马晓静,王友东,付碧波,刘伟.一种DVL内外误差标定方法[P].山东省：CN113703018A,2021
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26.)则是采用遗传算法对DVL三个安装偏角及比例因子进行标定。文献[7](王彦国,夏雨,何春海,宫京,王海鹏.SINS/DVL组合导航系统安装误差结构补偿方法[P].天津市：CN110608756A,2019
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12
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24.)认为速度比例因子不仅有一个，x、y轴速度均需进行标定，且DVL的波束与基阵水平面的夹角也需标定，其在忽略了垂向速度的条件下，对DVL的波束水平面夹角、水平面速度比例因子、基阵的航向角安装偏角进行标定。文献[8](Wang Q,Nie X,Gao C,et al.Calibration of a three
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dimensional laser Doppler velocimeter in a land integrated navigation system[J].Applied optics,2018,57
(29):8566
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8572.)则是认为三维激光LDV不仅存在三个安装偏角，其波束角也存在误差，并采用了卡尔曼滤波算法对其进行标定。这些现有技术中的标定方法大部分都是在各波束严格对称的假设下提出的，然而，受机械加工误差影响，声学径向波束真实空间方位、比例因子矢量并非对称一致，造成载体系三维速度非正交，若仍采用基阵系标定将人为引入误差、影响紧耦合导航性能，因此目前并不能实现波束角的标定，从而不能完全修正DVL的速度量测信息。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是为了解决目前还无法实现波束角的标定，从而导致不能完全修正DVL的速度量测信息的问题，而提出了一种声学多普勒测速径向波束角校正方法。
[0005]一种声学多普勒测速径向波束角校正方法具体过程为：
[0006]步骤一、将SINS的陀螺仪、加速度计组件与DVL的声学基座连接，并将连接后的SINS的陀螺仪、加速度计组件与DVL的声学基座通过转台安装在作业船底部，将GPS接收机固定在作业船顶部，然后建立载体坐标系b和导航坐标系n，并定义DVL四个波束在载体坐标系b中的波束角及波束角初值；
[0007]所述转台垂直于作业船甲板轴；
[0008]步骤二、在航迹中点将转台水平旋转90
°
，然后分别获取整条航迹中作业船在导航坐标系、载体坐标系下的导航信息；
[0009]步骤三、利用步骤二记录的导航信息获取DVL在计算导航坐标系n
’
下四组波束输出的作业船三维速度
[0010]所述DVL四组波束为别为：
[0011]a组：1、2、3波束；
[0012]b组：1、2、4波束；
[0013]c组：1、3、4波束；
[0014]d组：2、3、4波束；
[0015]所述计算导航坐标系n
’
为根据作业船姿态角所得的导航坐标系；
[0016]步骤四、利用步骤三获得的和步骤二获得的作业船在导航坐标系下的信息建立扩展卡尔曼滤波器；
[0017]步骤五、利用步骤四建立的扩展卡尔曼滤波器获取k+1时刻的状态估计值并修正SINS的输出；
[0018]步骤六、根据步骤五获得的得到扩展卡尔曼滤波器的输出波束角误差然后将与波束角初值相加，得到修正后的DVL各波束角。
[0019]进一步地，所述步骤一中的建立载体坐标系b和导航坐标系n，并定义DVL四个波束在载体坐标系b中的波束角及波束角初值，包括以下步骤：
[0020]步骤一一、建立载体坐标系b和导航坐标系n；
[0021]所述载本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于所述方法具体过程为：步骤一、将SINS的陀螺仪、加速度计组件与DVL的声学基座连接，并将连接后的SINS的陀螺、加速度计组件与DVL的声学基座通过转台安装在作业船底部，将GPS接收机固定在作业船顶部，然后建立载体坐标系b和导航坐标系n，并定义DVL四个波束在载体坐标系b中的波束角及波束角初值；所述转台垂直于作业船甲板轴；步骤二、在航迹中点将转台水平旋转90
°
，然后分别获取整条航迹中作业船在导航坐标系、载体坐标系下的导航信息；步骤三、利用步骤二记录的导航信息计算DVL在计算导航坐标系n
’
下四组波束输出的作业船三维速度所述DVL四组波束为别为：a组：1、2、3波束；b组：1、2、4波束；c组：1、3、4波束；d组：2、3、4波束；所述计算导航坐标系n
’
为根据作业船姿态角所计算得到的导航坐标系；步骤四、利用步骤三获得的和步骤二记录的导航信息建立扩展卡尔曼滤波器；步骤五、利用步骤四建立的扩展卡尔曼滤波器获取k+1时刻的状态估计值并修正SINS的输出；步骤六、根据步骤五获得的得到扩展卡尔曼滤波器的输出波束角误差然后将与波束角初值相加，得到修正后的DVL各波束角。2.根据权利要求1所述的一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于：所述步骤一中的建立载体坐标系b和导航坐标系n，并定义DVL四个波束在载体坐标系b中的波束角及波束角初值，包括以下步骤：步骤一一、建立载体坐标系b和导航坐标系n；所述载体坐标系b以作业船重心为原点，y
b
轴沿甲板平面指向作业船的艏向方向，z
b
轴垂直与甲板向上，x
b
轴、y
b
轴与z
b
轴构成右手坐标系；所述导航坐标系n以作业船的质点为原点o，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直与xoy平面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；步骤一二、定义DVL四个波束在载体坐标系中的每个波束角α
i
、θ
i
及波束角初值α
i0
、θ
i0
；其中，i＝1,2,3,4，表示波束编号，α
i
为波束i的声轴线与载体坐标系中yoz平面的夹角；θ
i
为波束i的声轴线与载体坐标系中xoy平面的夹角；波束1处于载体坐标系中的第V象限，波束2位于第VI象限，波束3位于第VII象限，波束4位于第VIII象限。3.根据权利要求2所述的一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于：所述步骤二中的分别获取整条航迹中作业船在导航坐标系、载体坐标系下的导航信息，具体为：利用GPS获取作业船在导航坐标系下的速度经度B
gps
、纬度信息L
gps
、高度h
gps
；
利用DVL获取DVL四个波束测得的波束径向速度V
l
＝[v1v2v3v4]
T
；其中，v1、v2、v3、v4分别是DVL四个波束的径向速度；利用SINS获取导航坐标系下作业船的姿态角和作业船加速度计组的输出；作业船的姿态角包括：航向角A、俯仰角K和横滚角ψ。4.根据权利要求3所述的一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于：所述步骤三中的利用步骤二获得的导航信息计算DVL在计算导航坐标系n
’
下四组波束输出的作业船三维速度包括以下步骤：步骤三一、利用导航坐标系下作业船的姿态角获取载体坐标系b到计算导航坐标系n
’
的转换矩阵的转换矩阵步骤三二、利用步骤一定义的波束角初值和步骤二获得的DVL四个波束的径向速度分别获取作业船在载体坐标系b下的三维速度首先，对DVL四个波束进行分组：a组为1、2、3波束，b组为1、2、4波束，c组为1、3、4波束，d组为2、3、4波束；然后，利用步骤一获得的波束角初值和步骤二获得的DVL四个波束的径向速度分别获取作业船在载体坐标系b下的三维速度为：为：为：为：为：
其中，C
a
、C
b
、C
c
、C
d
为中间变量；步骤三三、利用步骤三一获得的转换矩阵和步骤三二获得的作业船在载体坐标系b下的三维速度获取DVL在计算导航坐标系n
’
下四组波束输出的载体三维速度5.根据权利要求4所述的一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于：所述DVL在计算导航坐标系n
’
下四组波束输出的载体三维速度如下式：6.根据权利要求5所述的一种声学多普勒测速径向波束角校正方法，其特征在于：所述步骤四中的利用步骤三获得的和步骤二记录的导航信息建立扩展卡尔曼滤波器，包括以下步骤：步骤四一、获得与的理论速度误差关系：其中，φ＝[φ
x φ
y φ
z
]
T
为SINS姿态误差角，
×
表示叉乘；K
a
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹忠义，孙大军，刘斌，张殿伦，刘鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：