一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法技术

本发明专利技术公开了一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法，在LBL水声定位系统的应答器阵列中，每个应答器的应答信号频率不同，应答信号的理论频率和实际接收频率之差为多普勒频率，它反映了水下航行器与应答器在径向方向的相对运动关系，即径向速度；在传统的SINS/LBL紧组合中引入SINS和LBL计算的径向速度作为扩展卡尔曼滤波器的观测量，与速度相关的直接观测量的引入增加了速度误差的可观测性，提高了速度误差的估计精度和组合导航精度。

【技术实现步骤摘要】
一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法
本专利技术属于组合导航及水声定位
，尤其涉及一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法。
技术介绍
LBL(LongBaseLine，长基线LBL)水声定位系统是由安装在海底的基线长度为几千米的应答器阵列和安装在载体上的问答机组成，其定位原理是利用载体上的问答机与海底应答器阵列之间的距离信息来求解水下航行器位置。LBL因其作用范围广、定位精度高已广泛应用于水下潜器。LBL的应答器或信标的绝对地理位置在定位解算前已精确标定，传统SINS/LBL紧组合的滤波观测量是SINS(StrapdownInertialNavigationSystems，捷联式惯性导航系统SINS)计算的水下航行器与应答器之间的距离和LBL测量的声信号在水下航行器与应答器的传播距离之差(斜距之差)，或是增加SINS和LBL计算的水下航行器与不同应答器之间的距离差之差为观测量(斜距差之差)，来估计SINS的导航误差，修正SINS输出的导航结果，提高导航精度。由于LBL定位至少需要3个应答器，当水下航行器运动至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于，包括：/n步骤1：在水下航行器上安装SINS，在海底布放LBL水声定位系统的应答器阵列，并精确标定每个应答器的位置；/n步骤2：在LBL水声定位系统中，根据声信号在水下航行器与应答器之间的传播时延，计算出水下航行器与应答器之间的传播距离、以及声信号到达两个不同应答器的传播距离之差；/n根据实际接收到的应答信号以及设置的参考信号，计算出水下航行器与应答器在径向方向的相对运动速度；/n步骤3：在SINS中，计算出水下航行器在导航坐标系下的姿态和速度以及水下航行器在地球坐标系下的位置，并将水下航行器在地球坐标系下的位置转换成地球直角坐...

【技术特征摘要】
1.一种引入径向速度的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于，包括：
步骤1：在水下航行器上安装SINS，在海底布放LBL水声定位系统的应答器阵列，并精确标定每个应答器的位置；
步骤2：在LBL水声定位系统中，根据声信号在水下航行器与应答器之间的传播时延，计算出水下航行器与应答器之间的传播距离、以及声信号到达两个不同应答器的传播距离之差；
根据实际接收到的应答信号以及设置的参考信号，计算出水下航行器与应答器在径向方向的相对运动速度；
步骤3：在SINS中，计算出水下航行器在导航坐标系下的姿态和速度以及水下航行器在地球坐标系下的位置，并将水下航行器在地球坐标系下的位置转换成地球直角坐标；
根据所述步骤1中已标定的应答器的位置计算出水下航行器与应答器之间的传播距离、以及声信号到达两个不同应答器的传播距离之差；
步骤4：根据所述步骤3中SINS计算的水下航行器在导航坐标系下的速度计算出水下航行器与应答器在径向方向的相对运动速度；
步骤5：由SINS的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移误差以及加速度计偏置误差构成扩展卡尔曼滤波器的状态变量；根据所述状态变量建立状态方程；
由所述步骤2中LBL水声定位系统计算出的传播距离、传播距离之差和相对运动速度，步骤3中SINS计算出的传播距离和传播距离之差以及步骤4中计算出的相对运动速度构成扩展卡尔曼滤波器的观测量；
根据所述状态变量和观测量建立观测方程；
步骤6：根据所述步骤5中的状态方程和观测方程估计出SINS的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移误差以及加速度计偏置误差；
步骤7：根据所述步骤6中估计出的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移误差以及加速度计偏置误差对所述SINS输出的姿态、速度、位置、陀螺漂移和加速度计偏置进行修正，得到修正后的姿态、速度、位置、陀螺漂移和加速度计偏置；
步骤8：重置所述扩展卡尔曼滤波器的状态变量，循环执行步骤2～7，直到水下航行器作业结束。


2.如权利要求1所述的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于：所述步骤1中，应答器阵列的组数大于或等于1组，每组所述应答器阵列的应答器数量大于或等于3个。


3.如权利要求1所述的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于：所述步骤2中，水下航行器与第i个应答器之间的传播距离的计算表达式为：



声信号到达第i个应答器和第j个应答器的传播距离之差的计算表达式为：



其中，为LBL水声定位系统计算的水下航行器与第i个应答器之间的传播距离，c为水中声速，τi为声信号在水下航行器与第i个应答器之间的单程传播时延，τj为声信号在水下航行器与第j个应答器之间的单程传播时延，为LBL水声定位系统计算的声信号到达第i个应答器和第j个应答器的传播距离之差，i≠j；
水下航行器与第i个应答器在径向方向的相对运动速度的计算表达式为：



其中，为LBL水声定位系统计算的水下航行器与第i个应答器在径向方向的相对运动速度，fc为参考信号频率，fd为参考信号频率fc与实际接收到的应答信号频率之差。


4.如权利要求1所述的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于：所述步骤3中，水下航行器的地球直角坐标为：



其中，Xs＝[xsyszs]T，Xs为SINS计算的水下航行器的地球直角坐标，xs,ys,zs分别为SINS计算的水下航行器的地球直角坐标的分量，RN为地球子午圈半径，Re为地球半径，e为地球偏心率，a和b分别为地球椭圆长轴和短轴半径，h为SINS计算的水下航行器在地球坐标系下的高度，L为SINS计算的水下航行器在地球坐标系下的纬度，λ为SINS计算的水下航行器在地球坐标系下的经度，SINS计算的水下航行器在地球坐标系下的位置包括高度、纬度和经度；
水下航行器与第i个应答器之间的传播距离的计算表达式为：



声信号到达第i个应答器和第j个应答器的传播距离之差的计算表达式为



其中，为SINS计算的水下航行器与第i个应答器之间的传播距离，Xi＝[xiyizi]T，Xi为步骤1中第i个应答器的地球直角坐标，xi,yi,zi分别为第i个应答器的地球直角坐标的分量，为SINS计算的声信号到达第i个应答器和第j个应答器的传播距离之差，为SINS计算的水下航行器与第j个应答器之间的传播距离，i≠j。


5.如权利要求1所述的SINS/LBL紧组合导航方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云，
申请(专利权)人：湖南航天机电设备与特种材料研究所，
类型：发明
国别省市：湖南;43