一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法技术

本发明专利技术涉及一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法。首先，定义坐标系：a)导航坐标系n；b)载体坐标系b；c)DVL设备坐标系s；d)USBL基阵坐标系a；然后，进行误差标定，包括如下步骤：步骤1.惯导/DVL安装误差标定；步骤2.惯导/USBL安装误差标定。本方法依照最优标定几何模型，将惯导/DVL设备组合旋转90°，使用旋转前后的惯性、DVL、GPS测量数据进行惯导/DVL安装误差标定；沿环形轨迹航行，使用正反向环形轨迹上的惯性、USBL、GPS测量数据进行惯导/USBL安装误差标定，获得高精度的安装误差标定结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法。技术背景在惯性/DVL/USBL组合导航系统中，惯导/DVL、惯导/USBL安装误差标定准确性对组合导航性能有重要影响，通常采用的惯导/DVL、惯导/USBL安装误差标定方法无法保证标定结果最优。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术目的是针对现有技术的不足，提供一种高精度的安装误差标定方法。技术方案本专利技术是一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其中，包括如下步骤：首先，定义坐标系：a)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质心上；b)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；c)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；d)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，xayaza构成右手坐标系；然后，进行误差标定，包括如下步骤：步骤1、惯导/DVL安装误差标定；首先，沿着指定的第一航段、GPS速度、DVL速度采集，然后，将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度；利用两次采集的数据计算DVL坐标系至载体系转换矩阵；步骤2、惯导/USBL安装误差标定；首先，沿指定的第一环形航迹绕USBL水下应答器航行，并且采集GPS位置、USBL定位数据，然后，船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据；利用两次采集的数据计算USBL基阵坐标系至载体系转换矩阵。如上所述的一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其中，在步骤1中，将GPS速度Vn投影至载体系b：Vb=CnbVn---(1)]]>其中为惯导解算姿态阵；载体系至DVL坐标系转换矩阵则DVL速度和GPS速度在载体系投影有如下关系：Vb=CsbVs---(2)]]>惯导与DVL刚性固定连接，二者相对位置关系不变，待求量是常值矩阵；沿指定的第一航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值V‾1b=1nΣk=1nV1b(k)]]>V‾1s=1nΣk=1nV1s(k)---(3)]]>其中：k为离散时间点；n为速度采样总数；将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值V‾2s:]]>V‾2b=1mΣk=1mV2b(k)]]>V‾2s=1mΣk=1mV2s(k)---(4)]]>其中：k为离散时间点；m为速度采样总数；式(3)、(4)速度均值满足如下关系：V‾1b=CsbV‾1s]]>V‾2b=CsbV‾2s---(5)]]>构造单位矢量ib，jb，kb和is，js，ks：ib=V‾1b|V‾1b|jb=ib×V‾2b|ib×V‾2b|kb=ib×jb---(6)]]>is=V‾1s|V‾1s|js=is×V‾2s|is×V‾2s|ks=is×js---(7)]]>则DVL坐标系至载体系转换矩阵可按下式计算：Csb=ibjbkbisjsksT---(8)]]>如此，得到了DVL安装误差；在步骤2中，设USBL应答器在基阵内的相对位置测量值为La，基阵坐标系中心和应答器的大地坐标分别为P、Pt，为惯导解算姿态阵，为基阵坐标系到载体系的转换矩阵，由于惯导与USBL基阵固联，为常值矩阵；根据以上条件可以计算应答器相对基阵中心的位置增量：ΔP＝Pt-P(9)将位置增量转换为导航系n内的距离Ln：Ln=RM0001000RNcosLΔP---(10)]]>其中L为当地纬度；RM为子午圈曲率半径；RN卯酉圈曲率半径；通过位置增量计算得出的距离相对地球半径很小，对上述距离作圆弧—直线近似，则Ln可认为是应答器在当地地理坐标系内的坐标，该坐标与应答器在基阵坐标系内的坐标有如下关系：Ln=Cbn·Cab·La---(11)]]>进而Lb=Cab·La---(12)]]>其中Lb是应答器在载体系b内坐标；船载GPS可提供精确的位置测量，补偿掉USBL相对GPS的杆臂位置后可作为USBL安装误差标定的位置基准；沿指定的第一环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算及其均值L‾1b=1nΣk=1nL1b(k)]]>L‾1a=1nΣk=1nL1a(k)---(13)]]>其中：k为离散时间点；n为位置采样总数；船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据，计算L2a,L2b]]>及其均值L‾2a,L‾2b:]]>L‾2b=1mΣk=1nL2b(k)]]>L‾2a=1mΣk=1mL2a(k)---(14)]]>其中：k为离散时间点；m为位置采样总数；式(15)、(16)位置均值满足如下关系：L‾1b=CabL‾1a]]>L‾2b=CabL‾2a---(15)]]>构造单位矢量ib，jb，kb和ia，ja，ka：ib=V‾1b|V‾1b|jb=ib×V‾2b|ib×V‾2b|kb=ib×jb---(16)]]>ia=L‾1a|L‾1a|ja=ia×L‾2a|ia×L‾2a|ka=ia×ja---(17)]]>则基阵坐标系到载体系转换矩阵可按下式计算：Cab=ibjbkbiajakaT---(18)]]>如此，得到了USBL基阵安装误差。有益效果本方法依照最优标定几何模型，将惯导/DVL设备组合旋转90°，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，定义坐标系：a)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质心上；b)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；c)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；d)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，xayaza构成右手坐标系；然后，进行误差标定，包括如下步骤：步骤1、惯导/DVL安装误差标定；首先，沿着指定的第一航段、GPS速度、DVL速度采集，然后，将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、DVL速度；利用两次采集的数据计算DVL坐标系至载体系转换矩阵；步骤2、惯导/USBL安装误差标定；首先，沿指定的第一环形航迹绕USBL水下应答器航行，并且采集GPS位置、USBL定位数据，然后，船体反向航行，沿与所述第一环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹，绕水下应答器采集GPS位置、USBL定位数据；利用两次采集的数据计算USBL基阵坐标系至载体系转换矩阵。...

【技术特征摘要】
1.一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，其特征在于，包括
如下步骤：
首先，定义坐标系：
a)导航坐标系n：O_XnYnZn，惯导质心_北天东，原点在惯导质
心上；
b)载体坐标系b：O_XbYbZb，惯导质心_前上右；
c)DVL设备坐标系s：原点在DVL质心，xs沿DVL纵轴方向，
zs与DVL横轴一致，ys沿DVL竖轴向上，xsyszs构成右手坐标系；
d)USBL基阵坐标系a：原点在USBL基阵中心，xa沿USBL基
阵纵轴方向，za与USBL基阵横轴一致，ya沿USBL基阵竖轴向上，
xayaza构成右手坐标系；
然后，进行误差标定，包括如下步骤：
步骤1、惯导/DVL安装误差标定；
首先，沿着指定的第一航段、GPS速度、DVL速度采集，然后，
将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS速度、
DVL速度；利用两次采集的数据计算DVL坐标系至载体系转换矩阵；
步骤2、惯导/USBL安装误差标定；
首先，沿指定的第一环形航迹绕USBL水下应答器航行，并且采
集GPS位置、USBL定位数据，然后，船体反向航行，沿与所述第一
环形航迹航迹形状相同、方向相反的第二环形航迹，绕水下应答器采
集GPS位置、USBL定位数据；利用两次采集的数据计算USBL基
阵坐标系至载体系转换矩阵。
2.如权利要求1所述的一种惯性/DVL/USBL安装误差标定方法，
其特征在于，
在步骤1中，将GPS速度Vn投影至载体系b：
Vb=CnbVn---(1)]]>其中为惯导解算姿态阵；
载体系至DVL坐标系转换矩阵则DVL速度和GPS速度在
载体系投影有如下关系：
Vb=CsbVs---(2)]]>惯导与DVL刚性固定连接，二者相对位置关系不变，待求量是常值矩阵；
沿指定的第一航段采集GPS速度、DVL速度，将GPS速度向载
体系b投影，计算二者速度均值V‾1b=1nΣk=1nV1b(k)]]>V‾1s=1nΣk=1nV1s(k)---(3)]]>其中：
k为离散时间点；
n为速度采样总数；
将惯导/DVL绕垂向轴旋转90°，沿指定的第二航段采集GPS
速度、DVL速度，将GPS速度向载体系b投影，计算二者速度均值V‾2s:]]>V‾2b=1mΣk=1mV2b(k)]]>V‾2s=1mΣk=1mV2s(k)---(4)]]>其中：
k为离散时间点；
m为速度采样总数；
式(3)、(4)速度均值满足如下关系：
V‾1b=CsbV‾1s]]>V‾2b=CsbV‾2s---(5)]]>构造单位矢量ib，jb，kb和is，js，ks：
ib=V‾1b|V‾1b|jb=ib×V‾2b|ib×V‾2b|kb=ib×jb---(6)]]>is=V‾1s|V&OverBar...

【专利技术属性】
技术研发人员：林翰，刘峰，王翌，李文耀，扈光锋，徐策，刘辉，周东灵，徐丹，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11