一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法技术

本发明专利技术提供一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，该方法以惯导系统作为基础导航设备，采用格网坐标系作为极区导航坐标系，引入超短基线定位系统测量运载体位置，基于卡尔曼滤波器，基于超短基线定位系统的斜距信息及更为原始的相位差信息，设计极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，实时、连续提供高精度导航信息。该方法不仅克服了极区经线收敛导致的误差放大，且在不破坏导航系统自主性的前提下，能够有效抑制惯导系统导航误差，提高导航精度，更好的保证了导航系统的可靠性，为极区运载器提供高精度导航信息。

A Tight Integrated Polar Area Grid Inertial Navigation/Ultra-Short Baseline Navigation Method

【技术实现步骤摘要】
一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法
本专利技术涉及一种基于格网坐标系的极区组合导航方法，尤其涉及一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法。
技术介绍
高精度导航技术是运载器在极区工作与安全航行的重要前提，惯性导航系统以其自主性、隐蔽性与信息完备性成为海洋运载器必备导航设备之一，然而，极区运载器的惯性导航系统面对两大难题，一是经线收敛导致的定位定向难题，二是惯导系统自身含有周期性振荡误差以及随时间积累的导航误差。为了解决经线收敛导致的定位定向问题，以格网坐标系为导航坐标系的格网惯导系统被应用于极区运载器。然而格网惯导系统受到工作原理的制约，输出仍然包含振荡误差与随时间积累的稳态误差。在中低纬度地区，惯导/超短基线组合导航技术得到了广泛应用，通过设计卡尔曼滤波器，实现了惯导系统误差实时估计与校正，与惯导系统相比导航性能得到了有效提升。然而，现有的惯导/超短基线组合导航技术以指北坐标系为导航坐标系，且以经纬度为观测信息构建滤波器，受到极区特殊地理位置的限制，南北极近极点处经线急剧收敛，指北导航系统存在航向与经度误差放大现象，无法得到应用。综上所述，现有的导航方法无法适应极区特殊应用环境，不能满足极区运载器对导航性能的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，实现极区运载器的高精度导航。本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：步骤一：选取格网坐标系为导航坐标系，将格网惯导系统安装至载体并启动预热；步骤二：惯性导航系统为主导航系统，引入超短基线定位系统，构建极区格网惯导/超短基线紧组合导航设备；步骤三：超短基线定位设备包括安装在载体上的水听器声学测量基阵，以及已知位置的声信标；水听器声学测量基阵构成基阵坐标系；超短基线定位系统通过测量声学基阵与声信标之间的声信号传播时间T、以及声信号经过声学基阵相邻两水听器时的相位差获得载体位置信息；步骤四：格网惯导系统通过陀螺仪与加速度计测量运载体的线运动与角运动信息，输出格网坐标系下的运载体姿态、速度信息以及地心地固坐标系下的载体位置坐标Re＝[xyz]T，以格网惯导输出信息解算声信号经过声学基阵相邻两水听器时的相位差、声学基阵与声信标之间的声信号传播时间：步骤五：设计格网惯性导航系统状态模型：其中，FSINS为格网惯导系统转移矩阵，BSINS为格网惯性系统噪声转移矩阵；步骤六：设计超短基线定位系统状态模型：以超短基线定位系统相位差误差传播时间测量误差δT为超短基线状态量：则超短基线定位系统状态模型为：其中，为超短基线系统转移矩阵，τ为一阶马尔科夫过程相关时间，BUSBL＝I3×3为噪声转移矩阵；步骤七：基于相对位置信息，建立格网惯导/超短基线组合导航系统模型：其中，系统状态量为：X＝[xSINSxUSBL]T，系统转移矩阵为：系统噪声转移矩阵为：步骤八：以表示惯导系统输出的相对位置信息，表示超短基线定位系统输出的相对位置信息，以相对位置信息为量测信息，建立量测模型为：其中：vUSBL是超短基线的量测噪声；由设备使用前的实验室标定实验提供，与由格网惯导系统提供；步骤九：滤波器获取格网惯导系统与多普勒计程仪数据后进行滤波估计；步骤十：利用步骤九得到的导航误差估计值对格网惯导系统进行校正，格网惯导/超短基线组合导航系统连续实时的输出校正后的高精度载体姿态、速度和位置误差，直至极区导航任务结束。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤三中的信号传播时间T、以及相位差与相对位置信息之间的关系可以表示为：其中，[xuyuzu]T为超短基线基阵坐标系下声信标位置坐标，R为基阵与声信标之间的斜距，d为相邻两水听器之间的安装距离，λ为水下声波波长，c为水下声速，标度因数2.步骤四具体为：以格网惯导输出信息解算基阵与声信标之间的相对位置信息，超短基线基阵坐标系下声信标位置坐标：其中，b表示载体坐标系，u表示超短基线水听器基阵坐标系，G表示格网坐标系，g表示地理坐标系，e表示地心地固坐标系，表示b系到u系的坐标转换矩阵，表示G系到b系的坐标转换矩阵，表示g系到G系的坐标转换矩阵，表示e系到g系的坐标转换矩阵，由惯性导航系统更新并提供；已知位置的声信标在地心地固坐标系下的位置坐标，由格网惯导系统解算得到的载体坐标系在地心地固坐标系下的位置坐标，与是载体坐标系与基阵坐标系之间的转换矩阵与杆臂信息，由设备使用前的标定实验提供；由格网惯导解算得到的声信号相位差与传播时间可以表示为3.步骤五具体为：定义格网惯导系统主要导航参数误差，包括格网角σ的误差δσ，姿态误差角φ＝[φxφyφz]T，格网坐标系下的速度误差以经纬高表示的位置误差以及地心地固坐标系下的位置误差δRe＝[δxδyδz]T，以姿态角误差、速度误差、位置误差、陀螺仪常值漂移εb以及加速度计零偏为格网惯性系统状态量：设计格网惯导系统状态模型：格网角误差δσ：其中，为载体经度、纬度、高度位置信息，δP可以表示为：其中，RNh＝RN+h，RN为地球半径；i表示惯性坐标系，格网系下地球自转角速度误差为：角速度误差为：其中，姿态更新四元数Q的误差微分方程为：其中，且为陀螺量测误差；则格网系下的姿态误差方程可以表示为：其中，CV_φ＝C4且CR_φ＝(C2C1+C3+C5+C6C1)CR2P；建立格网惯导系统速度误差微分方程：其中，CR_V＝(VG×)(2C3CR2P+C5)+(VG×)(2C2+C6)CR2σ，δfb为加速度计量测误差；设计算格网系Gc与理想格网系G之间，存在位置误差角δθG；计算格网坐标系可以通过理想格网坐标系的三次旋转得到，因此位置误差角δθG可以表示为：则位置误差可以表示为：其中，且选取格网惯导系统的格网姿态误差、格网速度误差、地心地固坐标系下的位置误差以及惯性器件测量误差为状态量，选取多普勒速度作为观测量，建立卡尔曼滤波模型，其中，状态方程为：格网惯导系统状态方程可以表示为：其中，FSINS为格网惯导系统转移矩阵，BSINS为格网惯性系统噪声转移矩阵。4.步骤九所涉及的滤波方案为，时间更新：量测更新：Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1式中，Φk,k-1为一步转移阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，Qk为系统噪声协方差阵，Rk为量测噪声协方差阵，Zk为当前时刻的量测值，和Pk-1分别为上一时刻的状态量估计值和滤波协方差阵，和Pk分别为当前时刻的状态量估计值和滤波协方差阵，该滤波方案的输出为包含了格网惯导系统的姿态误差、速度误差与位置误差的估计值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术创新性的将超短基线定位系统更加原始的量测信息作为观测量，提出了可应用于极区的格网惯导/超短基线深组合技术，并有效提升了格网惯性导航系统的精度；本专利技术不同于传统的极区导航算法或惯导/超短基线组合导航算法，有效克服了极区经线收敛引起的定位定向困难，采用超短基线更为原始的测量信息为观测信息，提升了导航系统在极区工作的综合性能，保证长航时工作条件下的精度与可靠性，性能稳定且易于实现，因此本专利技术具有很高的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术提出的格网惯导系统误差抑制方法的基本流程框图；图2为超短基线定位系统水听器基阵与已知位置声信标安装示意图；图3为导航系统姿态角误差曲线；图4为导航系统速度误差曲线；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：选取格网坐标系为导航坐标系，将格网惯导系统安装至载体并启动预热；步骤二：惯性导航系统为主导航系统，引入超短基线定位系统，构建极区格网惯导/超短基线紧组合导航设备；步骤三：超短基线定位设备包括安装在载体上的水听器声学测量基阵，以及已知位置的声信标；水听器声学测量基阵构成基阵坐标系；超短基线定位系统通过测量声学基阵与声信标之间的声信号传播时间T、以及声信号经过声学基阵相邻两水听器时的相位差

【技术特征摘要】
1.一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：选取格网坐标系为导航坐标系，将格网惯导系统安装至载体并启动预热；步骤二：惯性导航系统为主导航系统，引入超短基线定位系统，构建极区格网惯导/超短基线紧组合导航设备；步骤三：超短基线定位设备包括安装在载体上的水听器声学测量基阵，以及已知位置的声信标；水听器声学测量基阵构成基阵坐标系；超短基线定位系统通过测量声学基阵与声信标之间的声信号传播时间T、以及声信号经过声学基阵相邻两水听器时的相位差获得载体位置信息；步骤四：格网惯导系统通过陀螺仪与加速度计测量运载体的线运动与角运动信息，输出格网坐标系下的运载体姿态、速度信息以及地心地固坐标系下的载体位置坐标Re＝[xyz]T，以格网惯导输出信息解算声信号经过声学基阵相邻两水听器时的相位差、声学基阵与声信标之间的声信号传播时间：步骤五：设计格网惯性导航系统状态模型：其中，FSINS为格网惯导系统转移矩阵，BSINS为格网惯性系统噪声转移矩阵；步骤六：设计超短基线定位系统状态模型：以超短基线定位系统相位差误差传播时间测量误差δT为超短基线状态量：则超短基线定位系统状态模型为：其中，为超短基线系统转移矩阵，τ为一阶马尔科夫过程相关时间，BUSBL＝I3×3为噪声转移矩阵；步骤七：基于相对位置信息，建立格网惯导/超短基线组合导航系统模型：其中，系统状态量为：X＝[xSINSxUSBL]T，系统转移矩阵为：系统噪声转移矩阵为：步骤八：以表示惯导系统输出的相对位置信息，表示超短基线定位系统输出的相对位置信息，以相对位置信息为量测信息，建立量测模型为：其中：vUSBL是超短基线的量测噪声；HU＝I3×3，由设备使用前的实验室标定实验提供，与由格网惯导系统提供；步骤九：滤波器获取格网惯导系统与多普勒计程仪数据后进行滤波估计；步骤十：利用步骤九得到的导航误差估计值对格网惯导系统进行校正，格网惯导/超短基线组合导航系统连续实时的输出校正后的高精度载体姿态、速度和位置误差，直至极区导航任务结束。2.根据权利要求1所述的一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，其特征在于：步骤三中的信号传播时间T、以及相位差与相对位置信息之间的关系可以表示为：其中，[xuyuzu]T为超短基线基阵坐标系下声信标位置坐标，R为基阵与声信标之间的斜距，d为相邻两水听器之间的安装距离，λ为水下声波波长，c为水下声速，标度因数3.根据权利要求2所述的一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法，其特征在于：步骤四具体为：以格网惯导输出信息解算基阵与声信标之间的相对位置信息，超短基线基阵坐标系下声信标位置坐标：其中，b表示载体坐标系，u表示超短基线水听器基阵坐标系，G表...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵琳，康瑛瑶，刘佳鑫，葛靖宇，李慧，程思翔，王洛斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23