一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法技术

本发明专利技术公开了一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，包括：首先初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；其次，根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；然后，在DVL发射

【技术实现步骤摘要】
一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法
本专利技术涉及一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，属于组合导航对准技术，特别适用于水下组合导航领域。
技术介绍
为利用丰富的海洋资源，海洋勘探成为人类发展的必修课题。水下导航系统作为探测海洋的核心技术，决定着水下任务的有效进行。SINS(即：捷联惯性导航系统)/DVL(即：多普勒测速仪)组合导航凭借其高自主性和抗干扰性，逐渐成为最常用的水下组合导航方式。SINS/DVL组合导航系统中，粗对准通过计算粗略的姿态信息，为精对准和后续导航提供初始姿态信息，是组合导航的首要任务。现有技术中对SINS/DVL组合导航系统的粗对准方法主要集中于载体低动态情况，未考虑载体大机动情况下由姿态和速度变化引入的DVL测速误差。该误差会大幅降低粗对准速度与精度指标。为了提高SINS/DVL粗对准速度与精度，亟需提出一种适用于载体大机动情况的粗对准方法。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，能有效地提高SINS/DVL组合导航系统在大机动情况下粗对准的收敛速度与精度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，包括如下步骤：S1：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；S2：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；S3：在DVL发射t1时刻初始化为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息；S4：在DVL接收t2时刻更新矩阵并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息；S5：采用步骤S4中校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；S6：重复步骤S2到S5直至对准过程结束。优选的，所述步骤S1具体包括以下过程：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：其中，为n系到n0系的转换矩阵，为b系到b0系的转换矩阵，为姿态矩阵，I为单位阵。优选的，所述步骤S2具体包括以下过程：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：其中，Vb和为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，为b系下地球旋转矢量，为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。优选的，所述步骤S3具体包括以下过程：在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息优选的，所述步骤S4具体包括以下过程：在DVL接收t2时刻更新b2系到b1系的转换矩阵并记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息以校正DVL测速信息：S4.1根据SINS中陀螺输出角速度信息更新矩阵其中，和为b2系到b1系的转换矩阵及其导数，为陀螺输出角速度信息，[×]为反对称阵；S4.2记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息S4.3用步骤S3中的步骤S4.1中的及步骤S4.2中的校正DVL测速信息：其中，Vb(t)为校正后的DVL测速信息，为DVL接收t2时刻b2系下的DVL速度，c为超声波波速，f0为DVL超声波信号发射频率。为DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信息，为DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息，A为DVL转换矩阵，[Δf1Δf2Δf3Δf4]T为DVL四轴向频移信息。优选的，所述步骤S5具体包括以下过程：采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：S5.1采用步骤S4校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考矢量α和观测矢量β：其中，α为参考矢量，β为观测矢量，Vb(0)为初始时刻DVL测速信息；S5.2采用最优基四元数法构建K矩阵：其中，K(t)为K矩阵；S5.3求K矩阵的最小特征值，即初始姿态最优四元数并计算初始姿态矩阵：其中，为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为对应元值；S5.5计算姿态矩阵：其中，为b0系到b系的转换矩阵。优选的，所述步骤S6具体包括以下过程：重复步骤S2到S5直至对准过程结束。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用SINS输出姿态与速度信息对DVL测速误差进行建模与补偿，提高了粗对准的速度与精度。附图说明图1为本专利技术的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法原理图；图2为本专利技术的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术所述的一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，实现原理如图1所示，实验流程如图2所示。其流程主要包括以下步骤：步骤S1，初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵。在载体进入初始对准过程时，未定义转换矩阵及姿态矩阵，需对其进行初始化。具体包括以下过程：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：其中，为n系到n0系的转换矩阵，为b系到b0系的转换矩阵，为姿态矩阵，I为单位阵。步骤S2，根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程。在SINS更新过程中，采用比力方程更新速度。具体包括以下过程：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：其中，Vb和为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，为b系下地球旋转矢量，为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。步骤S3，在DVL发射t1时刻初始化为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息。由于上一次更新后的为上一周期b2系到b1系的转换矩阵，为求当前周期b2系到b1系的转换矩阵需对其进行初始化，并重新记录当前周期对应的DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息具体包括以下过程：在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息步骤S4，在DVL接收t2时刻更新矩阵并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息。SINS/DVL组合导航系统粗对准的关键问题是t时刻与0时刻机体速度精度问题。DVL通过发射和接收信号的频差来测量相对速度。Janus结构中，DVL速度与DVL波束速度的关系为：其中，为DVL波束速度，α为波束倾角，为DVL速度。载体小机动情况下，发射与接收时刻的DVL速度、DVL波束速度不变，可认本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；/nS2：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；/nS3：在DVL发射t1时刻初始化

【技术特征摘要】
1.一种载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵；
S2：根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程；
S3：在DVL发射t1时刻初始化为单位阵，并记录SINS输出的载体速度信息；
S4：在DVL接收t2时刻更新矩阵并记录SINS输出的载体速度信息，以校正DVL测速信息；
S5：采用步骤S4中校正后的DVL测速信息与SINS输出信息构建参考与观测矢量，根据最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；
S6：重复步骤S2到S5直至对准过程结束。


2.根据权利要求1所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：
初始化转换矩阵和姿态矩阵为单位阵：









其中，为n系到n0系的转换矩阵，为b系到b0系的转换矩阵，为姿态矩阵，I为单位阵。


3.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下过程：
根据上一时刻对准输出的姿态矩阵更新速度微分方程：



其中，Vb和为载体速度及其导数，fb为加速度计输出的比力信息，为b系下地球旋转矢量，为b系下b系到e系的角速度，Gn为n系下重力矢量。


4.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下过程：
在DVL发射t1时刻初始化b2系到b1系的转换矩阵为单位阵，并记录DVL发射t1时刻SINS输出的载体速度信息


5.根据权利要求2所述的载体大机动情况下的DVL辅助SINS粗对准方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下过程：
在DVL接收t2时刻更新b2系到b1系的转换矩阵并记录DVL接收t2时刻SINS输出的载体速度信...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚逸卿，侯岚华，徐晓苏，王迪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32