一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法技术

本发明专利技术公开一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法，包括以下步骤：1、基于特定轨迹运动下的捷联性惯导系统SINS进行两次导航解算输出，分别为SINS1和SINS2，设计高通滤波器获取SINS1的真实水平速度，与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航；2、根据多普勒效应原理，在中层水域工作的深潜长航潜水器利用多普勒计程仪DVL的水跟踪模式测量对流速度；3、结合SINS自辅助导航提供的高精度导航参数和利用DVL获取的对流速度，利用最小二乘估计算法RLS估计洋流速度。本发明专利技术能够在可有导航信息源缺乏，难以实时获取洋流速度的条件下，通过SINS/DVL估计出中层水域的洋流速度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法
本专利技术属于载人潜水器水下导航定位
，涉及一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法。
技术介绍
因为电磁信号在水下的衰减特性，因此全球定位系统GPS不可用于海洋中层水域中的导航定位，同样，远离海底的多普勒测速仪DVL也无法直接用于导航。在中层水域中导航信息源稀缺，只有惯性测量单元IMU和声学传感器可用。目前，特别是对于大深度执行长时间、远距离潜航任务的深潜长航潜水器，如何利用深海区稀缺的导航信息源进行中层水域的导航研究具有重要的科学意义。对于深潜长航潜水器而言，中层水域洋流速度未知条件下，无法直接实现SINS/DVL组合导航，需要实时获得洋流速度；甚至中层水域的洋流速度信息可能还需要被实时观测进行军事防务。因此洋流速度信息的重要性不可言喻，但是在可用导航信息源缺乏的中层水域条件下，实时获取洋流速度是很困难的。因此在现有水下导航传感器的技术条件下，设计一种可行准确的中层水域洋流速度估计方案至关重要。专利文献(申请号：CN201910509338.2)：一种深潜载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)基于特定轨迹运动下的捷联性惯导系统SINS进行两次导航解算输出，分别为SINS1和SINS2，设计高通滤波器获取SINS1的真实水平速度，与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航；/n所述步骤1中基于特定轨迹运动下的捷联性惯导系统SINS进行两次导航解算输出，分别为SINS1和SINS2，设计高通滤波器获取SINS1的真实水平速度，与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航如下：/nS1.1：根据载人潜水器螺旋下潜运动的轨迹特性分析，以及SINS误差传播特性分析；将圆周运动轨迹下SINS1真实的水平速...

【技术特征摘要】
1.一种深潜长航潜水器SINS/DVL洋流速度估计方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)基于特定轨迹运动下的捷联性惯导系统SINS进行两次导航解算输出，分别为SINS1和SINS2，设计高通滤波器获取SINS1的真实水平速度，与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航；
所述步骤1中基于特定轨迹运动下的捷联性惯导系统SINS进行两次导航解算输出，分别为SINS1和SINS2，设计高通滤波器获取SINS1的真实水平速度，与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航如下：
S1.1：根据载人潜水器螺旋下潜运动的轨迹特性分析，以及SINS误差传播特性分析；将圆周运动轨迹下SINS1真实的水平速度视为高频信号，而SINS1工作机理产生水平速度误差看做低频信号；
SINS1输出的水平速度包括：真实水平速度和水平速度误差，由于初始对准误差、安装误差、导航算法误差的存在，得到SINS系统误差模型：
失准角误差方程：



速度误差方程：



位置误差方程：



以上公式中，i代表惯性坐标系，n代表导航坐标系，e代表地球坐标系，b代表机体坐标系；φ＝[φNφEφD]T为欧拉失准角，表示SINS计算的导航坐标系和真实的导航坐标系n之间的旋转；δVn＝[δVNδVEδVD]T为速度误差；δL,δλ,δh分别为纬度、经度和高度误差；其中，水平速度误差为δVN和δVE包含三种不同的振动误差，分别为：
休拉振荡Ts：



地球振荡Te：



傅科振荡TF：



以上，R是地球半径，Ω是地球自转角速度，L是纬度，g是重力加速度；
深潜载人潜水器螺旋下潜/上浮表现为圆周轨迹运动，其水平方向速度呈周期性变化；潜水器下潜或上浮过程，考虑了水平速度误差中周期T＝84.4分钟的休拉振荡；真实水平速度变化周期相对于休拉振荡周期要小，因此真实的水平速度视为高频信号，而水平速度误差就看作低频信号；
S1.2：设计高通无时延ZD-HPF数字滤波器，对SINS1输出的水平速度进行处理，滤除低频速度误差分量，进而获取载人潜水器的真实水平速度；
根据要保留、滤除的不同信号的频率差异特性，设置数字高通滤波器的技术指标(ωp,ωs,αp,αs)，分别是通带截止频率、阻带截止频率、阻带允许的最大衰减、阻带允许的最小衰减，由双线性变换的映射关系，经过频率转换为相应的模拟高通滤波器技术指标，转换公式为：



基于模拟高通滤波器技术指标(Ωp,Ωs,αp,αs)，经过频率变换公式转化为模拟低通滤波器技术指标(λp,λs,αp,αs)，为了计算简单，取归一化模拟低通原型系统函数G(p)的通带边界频率为λp＝1，从而可求得归一化阻带边界频率为：



根据频率变换后的(λp,λs,αp,αs)，计算滤波器阶数N：









设计巴特沃斯滤波器，查询归一化滤波器参数表，得到N对应的归一化低通原型系统函数G(p)，去归一化得到模拟高通滤波器传递函数Hh(s)，利用双线性变换法将其转换为数字低通滤波器Hl(z)；
再利用互补的思想将其转化为无时延数字高通滤波器Hh(z)：
Hh(z)＝1-Hl(z)(12)
S1.3：通过kalman滤波器将步骤1.2中获取的真实水平速度与SINS2进行组合实现SINS自辅助导航；
选取姿态失准角、速度误差、位置误差、陀螺仪常值零偏、加速度计常值零偏为状态变量：



状态方程为：



其中，系统转移矩阵为：



系统干扰矩阵：



系统噪声向量：



由S1.2得到SINS1经过高通滤波器(ZD-HPF)处理的水平速度



选取SINS2输出的水平速度和之差作为量测量Z：



离散化的卡尔曼滤波状态方程和量测方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锡祥，盛广润，刘贤俊，赵立业，黄永江，张玉鹏，赵苗苗，王子璇，蒲文浩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32