基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，其过程为：根据单应答器和捷联惯导系统输出的导航参数进行导航机械编排，确定捷联惯导系统的状态量和观测量，建立大失准角条件下的卡尔曼滤波模型，由卡尔曼滤波模型得到导航坐标系下捷联惯导系统的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；将得到的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角引入到捷联惯导系统初始对准中，完成捷联惯导系统在水下的初始对准。本发明专利技术在水下环境中能够为捷联惯导系统提供较高的初始对准精度，提高了捷联惯导系统在水下环境中工作的有效性和灵活性。

Initial alignment method of underwater strapdown inertial navigation system based on single transponder

The invention discloses an initial alignment method of underwater strapdown inertial navigation system based on a single transponder. The process includes: arranging navigation machinery according to the navigation parameters output by the single transponder and strapdown inertial navigation system, determining the state and observation of the strapdown inertial navigation system, and establishing Kalman filter model under the condition of large misalignment angle. The error angles of Euler platform of strapdown inertial navigation system on x, y and Z axes are obtained by Kalman filter model. The error angles of Euler platform on x, y and Z axes are introduced into the initial alignment of strapdown inertial navigation system to complete the initial alignment of strapdown inertial navigation system under water. The invention can provide high initial alignment accuracy for SINS in underwater environment, and improve the effectiveness and flexibility of SINS working in underwater environment.

【技术实现步骤摘要】
基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法
本专利技术属于水下定位、导航领域的惯导系统初始姿态确定技术，具体涉及一种基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法。
技术介绍
随着人类对海洋的探索愈加深入，自主式水下航行器(AUV)、潜器等水下运载体在海洋保护、海洋开发及军事等领域具有极大的应用价值，如海底资源探测、科学数据搜集、水下搜索、管道铺设、海底作业、执行军事任务等。初始对准问题是水下航行器面临的主要挑战之一，它是保证水下航行器有效工作的重要前提。应答器是水下定位导航系统必不可少的组成部分，它主要发送应答声信号，提供距离位置信息，多普勒计程仪主要提供航行器的速度信息。传统水下捷联惯导定位系统采用多个应答器组成的应答器阵来实现水下定位，定位功能分为同步工作方式和异步工作方式。同步工作方式解算至少需要3个应答器，异步工作方式解算至少需要4个应答器。水下应答器属于消耗性产品，往往会出现投入成本高(投入多个应答器)，预期效益差的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提供一种成本低、对准精度高的基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法。本专利技术采用的技术方案是：一种基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，包括以下步骤：步骤1，根据单应答器和捷联惯导系统输出的导航参数进行导航机械编排，确定捷联惯导系统的状态量和观测量；步骤2，根据捷联惯导系统的状态变量和观测量，建立大失准角条件下的卡尔曼滤波模型，由卡尔曼滤波模型得到导航坐标系下捷联惯导系统的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；步骤3，将得到的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角引入到捷联惯导系统初始对准中，完成捷联惯导系统在水下的初始对准。进一步地，所述的机械编排为式中，α＝[αxαyαz]T为x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；L为地球纬度；δL、δλ分别为地球纬度误差、经度误差；分别为东向和北向速度；分别为东向和北向速度误差；为捷联惯导系统的速度；δvn为捷联惯导系统的速度误差；δgn为地球自转重力在导航坐标系的误差；为加速度计输出的比力；为导航坐标系与计算坐标系系的转换矩阵；为计算得到的姿态阵；为n系相对于惯性系i系的转动角速度在n系上的投影；为地球自转角速度在n系上的投影；为角速度误差；εb为陀螺仪的漂移；为加速度计的零偏；分别为地球的短轴、长轴和深度；δRM、δRN、δh分别为地球的短轴误差、长轴误差和深度误差；进一步地，系统的状态量X为：式中，αx、αy、αz分别为x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；δL、δλ分别为地球纬度误差、经度误差；δvE、δvN分别为东向和北向速度误差；分别为x轴、y轴和z轴陀螺仪的漂移；分别为x轴、y轴和z轴加速度计的零偏；系统的观测量Z为：式中，vSINS是捷联惯导系统输出的速度信息；vDVL是多普勒计程仪输出的速度信息；PSINS是捷联惯导系统输出的位置信息；PTRSP是单应答器输出航行器的位置信息；Zv为速度误差信息；ZP为位置误差信息。进一步地，建立的非线性卡尔曼滤模型为：其中，X为系统的状态变量；f(·)、h(·)分别为系统函数和观测函数；Z为系统的观测量；w为系统噪声向量；υ为观测噪声向量。更进一步地，将得到的欧拉平台误差角αx、αy、αz引入到捷联惯导系统的初始对准中，得到载体坐标系与导航坐标系的真实姿态其中为初始对准过程中的姿态阵。本专利技术将捷联惯导系统与水下应答器、多普勒计程仪等进行交互信息辅助，可以在只有一个应答器的条件下实现水下航行设备较高精度的初始对准，大大节约产品的投入成本。本专利技术选取当地地理坐标系为导航坐标系(n系)，航行器的右前上坐标系为载体坐标系(b系)，利用姿态方向余弦阵将多普勒计程仪输出的速度投影到n系，以n系下惯导输出的误差量作为状态量，多普勒计程仪输出的速度和单应答器输出的位置作为外部观测量，在大失准角条件下建立卡尔曼滤波模型，估计出姿态误差角和航向误差角，在水下环境中能够为捷联惯导系统提供较高的初始对准精度，提高了捷联惯导系统在水下环境中工作的有效性和灵活性。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明，便于清楚地了解本专利技术，但它们不对本专利技术构成限定。本专利技术基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，包括以下步骤：步骤1，根据单应答器和捷联惯导系统输出的导航参数进行导航机械编排，确定捷联惯导系统的状态量和观测量；导航参数包括：经纬度值、深度、速度和姿态信息；水下单应答器的布放位置P0＝[L0λ0h0]T可以根据惯导系统/多普勒计程仪导航输出得到；规划航行器的航行路线不可为一条经过单应答器水平点坐标(L0,λ0)的直线。所述的机械编排为式中，α＝[αxαyαz]T为x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；L为地球纬度；δL、δλ分别为地球纬度误差、经度误差；分别为东向和北向速度；分别为东向和北向速度误差；为捷联惯导系统的速度；δvn为捷联惯导系统的速度误差；δgn为地球自转重力在导航坐标系的误差；为加速度计输出的比力；为导航坐标系与计算坐标系的方向余弦矩阵；为计算得到的姿态阵；为n系相对于惯性系i系的转动角速度在n系上的投影；为地球自转角速度在n系上的投影；为角速度误差；εb为陀螺仪的漂移；为加速度计的零偏；分别为地球的短轴、长轴和深度；δRM、δRN、δh分别为地球的短轴误差、长轴误差和深度误差；系统的状态量X为：式中，αx、αy、αz分别为x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；δL、δλ分别为地球纬度误差、经度误差；δvE、δvN分别为东向和北向速度误差；分别为x轴、y轴和z轴陀螺仪的漂移；分别为x轴、y轴和z轴加速度计的零偏；系统的观测量Z为：式中，vSINS＝[vEvN]T是捷联惯导系统输出的速度信息；vDVL＝[vDVL,EvDVL,N]T是多普勒计程仪输出的速度信息；PSINS＝[LSINSλSINS]T是捷联惯导系统输出的位置信息；PTRSP＝[LTRSPλTRSP]T是单应答器输出航行器的位置信息；为速度误差信息；ZP为位置误差信息。步骤2，根据捷联惯导系统的状态变量和观测量，建立大失准角条件下的卡尔曼滤波模型，由卡尔曼滤波模型得到导航坐标系下捷联惯导系统的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；建立的非线性卡尔曼滤模型为：其中，X为系统的状态变量；f(·)、h(·)分别为系统函数和观测函数，可由上述的机械编排方程求得；Z为系统的观测量；w为系统噪声向量；υ为观测噪声向量。步骤3，将得到的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角引入到捷联惯导系统初始对准中，得到载体坐标系与导航坐标系的真实姿态完成捷联惯导系统在水下的初始对准。其中为初始对准过程中的计算得到的姿态阵。本专利技术将捷联惯导系统与水下应答器、多普勒计程仪等进行交互信息辅助，可以在只有一个应答器的条件下实现水下航行设备较高精度的初始对准，大大节约产品的投入成本。本专利技术选取当地地理坐标系为导航坐标系(n系)，航行器的右前上坐标系为载体坐标系(b系)，利用姿态方向余弦阵将多普勒计程仪输出的速度投影到n系，以n系下惯导输出的误差量作为状态量，多普勒计程仪输出的速度和单应答器输出的位置作为外部观测量，在大失准角条件下建立卡尔曼滤波模型，估计出姿态误差角和航向误差角，在水下环境中能够为捷联惯导系统提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据单应答器和捷联惯导系统输出的导航参数进行导航机械编排，确定捷联惯导系统的状态量和观测量；步骤2，根据捷联惯导系统的状态变量和观测量，建立大失准角条件下的卡尔曼滤波模型，由卡尔曼滤波模型得到导航坐标系下捷联惯导系统的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；步骤3，将得到的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角引入到捷联惯导系统初始对准中，完成捷联惯导系统在水下的初始对准。

【技术特征摘要】
1.一种基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据单应答器和捷联惯导系统输出的导航参数进行导航机械编排，确定捷联惯导系统的状态量和观测量；步骤2，根据捷联惯导系统的状态变量和观测量，建立大失准角条件下的卡尔曼滤波模型，由卡尔曼滤波模型得到导航坐标系下捷联惯导系统的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；步骤3，将得到的x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角引入到捷联惯导系统初始对准中，完成捷联惯导系统在水下的初始对准。2.根据权利要求1所述的基于单应答器的水下捷联惯导系统初始对准方法，其特征在于：所述的机械编排为式中，α＝[αxαyαz]T为x轴、y轴和z轴的欧拉平台误差角；L为地球纬度；δL、δλ分别为地球纬度误差、经度误差；分别为东向和北向速度；分别为东向和北向速度误差；为捷联惯导系统的速度；δvn为捷联惯导系统的速度误差；δgn为地球自转重力在导航坐标系的误差；为加速度计输出的比力；为导航坐标系与计算坐标系系的转换矩阵；为计算得到的姿态阵；为n系相对于惯性系i系的转动角速度在n系上的投影；为地球自转角速度在n系上的投影；为角速度误差；εb为陀螺仪的漂移；▽b为加速度计的零偏；分别为地球的短轴、长轴和深...

【专利技术属性】
技术研发人员：许江宁，吴苗，朱兵，李方能，郭士荦，覃方君，何泓洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42