一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法技术

一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，它属于组合导航及水声定位技术领域。本发明专利技术解决了在基阵开角较大时，水下航行器的捷联惯性导航需要运动至超短基阵有效工作范围内进行误差校正，导致水下航行器的工作效率降低的问题。当超短基线定位系统有实数解时，可以得到声学基阵与信标的相对深度和斜距的比值，即基阵开角的余弦值，以该值控制组合导航的滤波增益，能够减小基阵开角比较大时的低质量观测信息在状态更新中所占的比重。通过在外部对滤波器的增益进行控制，能有效抑制捷联惯性导航误差，并且保证了在基阵开角较大情况下的水下航行器的工作效率。本发明专利技术可以应用于组合导航及水声定位领域。

【技术实现步骤摘要】
一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法
本专利技术属于组合导航及水声定位
，具体涉及一种超短基线/捷联惯性导航松组合的滤波增益控制方法。
技术介绍
随着基阵开角的增大，超短基线的定位误差变大，组合导航精度受到影响。换言之，传统的超短基线和捷联惯性导航的组合只能在以某一基阵开角为半锥角的圆锥内部及表面进行，水下航行器在其它位置区域时，只能依靠捷联惯性导航，而纯惯性导航存在着误差随时间积分累积的缺点，使得水下航行器需要每隔一段时间运动至超短基线的有效工作范围内，以此来校正惯性导航的累积误差，这样就大大降低了水下航行器的工作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决在基阵开角较大时，水下航行器的捷联惯性导航需要运动至超短基阵有效工作范围内进行误差校正，导致水下航行器的工作效率降低的问题，而提出了一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，该方法包括以下步骤：步骤一、将超短基线声学基阵倒置安装在水下航行器上，捷联惯性导航的陀螺组件和加速度计组件固联在水下航行器上，水面布放一个同步信标；信标在导航坐标系下的位置通过GPS获得；所述导航坐标系是指“东北天”地理坐标系，该地理坐标系以水下航行器的质心为原点o，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直于xoy平面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；步骤二、通过测量声信号在超短基线声学基阵与信标之间的单程传播时延及有效声速，在基阵坐标系下，计算信标的位置以及超短基线声学基阵与信标的相对深度，再计算相对深度与声信号在水下航行器和信标之间传播距离的比值，计算出的比值即为基阵开角的余弦值；所述基阵坐标系是指以超短基线声学基阵中心为原点Oa，沿超短基线声学基阵平面指向水下航行器的艏向方向为Ya轴，Za轴垂直于基阵平面向上，Xa轴与Ya轴、Za轴构成右手坐标系；步骤三、根据捷联惯性导航提供的水下航行器姿态信息以及基阵坐标系下和导航坐标系下信标的位置信息，获得在捷联惯性导航计算导航坐标系下，超短基线对水下航行器的定位结果步骤四、根据超短基线对水下航行器的定位结果和捷联惯性导航计算的水下航行器位置建立扩展卡尔曼滤波器；步骤五、根据步骤二计算出的基阵开角余弦值调整扩展卡尔曼滤波器的滤波增益，实现状态更新；步骤六、根据步骤五更新后的状态值，修正捷联惯性导航的输出，并重置扩展卡尔曼滤波器的状态。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，当超短基线定位系统定位有效时，可以得到声学基阵与信标的相对深度和斜距的比值，即基阵开角的余弦值，以该值控制组合导航的滤波增益，能够减小基阵开角比较大时的低质量观测信息在状态更新中所占的比重。通过在外部对滤波器的增益进行控制，能有效抑制捷联惯性导航误差，并且保证了在基阵开角较大情况下的水下航行器的工作效率。附图说明图1是超短基线定位有效时超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法的原理图。具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，该方法包括以下步骤：步骤一、将超短基线声学基阵倒置安装在水下航行器上，捷联惯性导航的陀螺组件和加速度计组件固联在水下航行器上，水面布放一个同步信标；信标在导航坐标系下的位置通过GPS获得；所述导航坐标系是指“东北天”(“ENU”)地理坐标系，该地理坐标系以水下航行器的质心为原点o，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直于xoy平面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；步骤二、通过测量声信号在超短基线声学基阵与信标之间的单程传播时延及有效声速，在基阵坐标系下，计算信标的位置以及超短基线声学基阵与信标的相对深度，再计算相对深度与声信号在水下航行器和信标之间传播距离的比值，计算出的比值即为基阵开角的余弦值；所述基阵坐标系是指以超短基线声学基阵中心为原点Oa，沿超短基线声学基阵平面指向水下航行器的艏向方向为Ya轴，Za轴垂直于基阵平面向上，Xa轴与Ya轴、Za轴构成右手坐标系；步骤三、根据捷联惯性导航提供的水下航行器姿态信息以及基阵坐标系下和导航坐标系下信标的位置信息，获得在捷联惯性导航计算导航坐标系下，超短基线对水下航行器的定位结果所述捷联惯性导航计算导航坐标系是指：捷联惯性导航系统通过解算水下航行器的姿态信息实现对“东北天”地理坐标系的复现；步骤四、根据超短基线对水下航行器的定位结果和捷联惯性导航计算的水下航行器位置，建立基于位置信息融合的扩展卡尔曼滤波器；步骤五、根据步骤二计算出的基阵开角余弦值调整扩展卡尔曼滤波器的滤波增益，实现状态更新；步骤六、根据步骤五更新后的状态值，修正捷联惯性导航的输出，并重置扩展卡尔曼滤波器的状态。重置扩展卡尔曼滤波器的状态后，再重复步骤二至步骤五的过程，利用更新后的状态值修正捷联惯性导航的输出，不断的对捷联惯性导航的输出进行修正。在任意基阵开角下，本专利技术都可以保证组合导航精度和航行器工作效率。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述有效声速为声源和超短基线声学基阵的几何距离与声音在两点间传播时间的比值。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述基阵开角是指在基阵坐标系下，超短基线声学基阵同信标的连线与Za轴正向的夹角。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中，在基阵坐标系下，信标的位置为[Xa′Ya′Za′]T，基阵开角的余弦值为cosθZ；其中：R是声信号在水下航行器和信标之间的传播距离，Xa′为信标在Xa轴方向的位置，Ya′为信标在Ya轴方向的位置，Za′为信标在Za轴方向的位置；cosθX是信标在Xa轴方向的位置与R的比值，cosθY是信标在Ya轴方向的位置与R的比值；cos2θX+cos2θY+cos2θZ＝1其中：c是水中声速，τ是超短基线声学基阵各个基元测量的单程传播时延均值，单程传播距离为水下航行器相对于信标的距离，τX和τY分别是两两基元的传播时延差沿基阵坐标系Xa轴和Ya轴的分量，dX和dY是对应的两基元在Xa轴和Ya轴方向上的位置差。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤三的具体过程为：捷联惯性导航提供的水下航行器姿态信息包括水下航行器的航向角A、俯仰角K和横滚角ψ；建立载体坐标系obxbybzb，载体坐标系的坐标原点ob位于水下航行器的质心，坐标轴xb的正方向沿水下航行器的横轴指向右，坐标轴yb的正方向沿水下航行器的纵轴指向前，坐标轴zb的正方向沿水下航行器的立轴指向上，载体坐标系的定义满足右手定则；基阵坐标系相对于载体坐标系的角度安装偏差分别为α、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、将超短基线声学基阵倒置安装在水下航行器上，捷联惯性导航的陀螺组件和加速度计组件固联在水下航行器上，水面布放一个同步信标；信标在导航坐标系下的位置通过GPS获得；/n所述导航坐标系是指“东北天”地理坐标系，该地理坐标系以水下航行器的质心为原点o，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直于xoy平面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；/n步骤二、通过测量声信号在超短基线声学基阵与信标之间的单程传播时延及有效声速，在基阵坐标系下，计算信标的位置以及超短基线声学基阵与信标的相对深度，再计算相对深度与声信号在水下航行器和信标之间传播距离的比值，计算出的比值即为基阵开角的余弦值；/n所述基阵坐标系是指以超短基线声学基阵中心为原点O

【技术特征摘要】
1.一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将超短基线声学基阵倒置安装在水下航行器上，捷联惯性导航的陀螺组件和加速度计组件固联在水下航行器上，水面布放一个同步信标；信标在导航坐标系下的位置通过GPS获得；
所述导航坐标系是指“东北天”地理坐标系，该地理坐标系以水下航行器的质心为原点o，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直于xoy平面指向天向，x轴、y轴和z轴构成右手坐标系；
步骤二、通过测量声信号在超短基线声学基阵与信标之间的单程传播时延及有效声速，在基阵坐标系下，计算信标的位置以及超短基线声学基阵与信标的相对深度，再计算相对深度与声信号在水下航行器和信标之间传播距离的比值，计算出的比值即为基阵开角的余弦值；
所述基阵坐标系是指以超短基线声学基阵中心为原点Oa，沿超短基线声学基阵平面指向水下航行器的艏向方向为Ya轴，Za轴垂直于基阵平面向上，Xa轴与Ya轴、Za轴构成右手坐标系；
步骤三、根据捷联惯性导航提供的水下航行器姿态信息以及基阵坐标系下和导航坐标系下信标的位置信息，获得在捷联惯性导航计算导航坐标系下，超短基线对水下航行器的定位结果
步骤四、根据超短基线对水下航行器的定位结果和捷联惯性导航计算的水下航行器位置，建立扩展卡尔曼滤波器；
步骤五、根据步骤二计算出的基阵开角余弦值调整扩展卡尔曼滤波器的滤波增益，实现状态更新；
步骤六、根据步骤五更新后的状态值，修正捷联惯性导航的输出，并重置扩展卡尔曼滤波器的状态。


2.根据权利要求1所述的一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，所述有效声速为声源和超短基线声学基阵的几何距离与声信号在两点间传播时间的比值。


3.根据权利要求1所述的一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，所述基阵开角是指在基阵坐标系下，超短基线声学基阵同信标的连线与Za轴正向的夹角。


4.根据权利要求1所述的一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，所述步骤二中，在基阵坐标系下，信标的位置为[X′aY′aZ′a]T，基阵开角的余弦值为cosθZ；



其中：R是声信号在水下航行器和信标之间的传播距离，X′a为信标在Xa轴方向的位置，Y′a为信标在Ya轴方向的位置，Z′a为信标在Za轴方向的位置；cosθX是信标在Xa轴方向的位置与R的比值，cosθY是信标在Ya轴方向的位置与R的比值；
cos2θX+cos2θY+cos2θZ＝1
其中：c是水中声速，τX和τY分别是两两基元的传播时延差沿基阵坐标系Xa轴和Ya轴的分量，dX和dY是对应的两基元在Xa轴和Ya轴方向上的位置差。


5.根据权利要求4所述的一种超短基线/捷联惯性导航松组合的导航误差校正方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
捷联惯性导航提供的水下航行器姿态信息包括水下航行器的航向角A、俯仰角K和横滚角ψ；
建立载体坐标系obxbybzb，载体坐标系的坐标原点ob位于水下航行器的质心，坐标轴xb的正方向沿水下航行器的横轴指向右，坐标轴yb的正方向沿水下航行器的纵轴指向前，坐标轴zb的正方向沿水下航行器的立轴指向上，载体坐标系的定义满足右手定则；
基阵坐标系相对于载体坐标系的角度安装偏差分别为α、β和γ，基阵坐标系原点相对于载体坐标系原点的位置偏差为：ΔXb、ΔYb和ΔZb为中的分量，上角标T代表转置；
载体坐标系到捷联惯性导航计算导航坐标系的转换矩阵和基阵坐标系到载体坐标系的转换矩阵分别为：






根据基阵坐标系下信标的位置和GPS提供的信标的位置得到



其中：为捷联惯性导航计算导航坐标系下超短基线对水下航行器的定位结果；
捷联惯性导航计算的导航坐标系n'与真实导航坐标系n的三个坐标轴存在角度误差φ：φ＝[φEφNφU]T，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，郑翠娥，张殿伦，张居成，韩云峰，崔宏宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23