一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法技术

本发明专利技术公开了一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法，本发明专利技术针对航行器在运动条件下由于声信号发射、接收时刻位置的变化，导致斜距计算误差的问题，根据声信号在超短基线水听器基阵与应答器之间的往返时延，结合已知水下声速和声信号发射、以及接收时刻的惯导位置，建立了新的斜距量测模型，设计一种基于递推滤波的惯性/超短基线组合导航方法，有效地提高了动态环境下的惯性/超短基线组合导航定位精度。导航定位精度。导航定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法


[0001]本专利技术属于基于惯性/超短基线组合导航方法的水下导航
，特别是涉及一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法。

技术介绍

[0002]惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)由于其自主性好、隐蔽性强、短时间内精度高等优点，已广泛应用于水下航行器的自主导航与定位。惯性导航可以全天候的提供姿态、速度、位置的全方位信息，拥有其他导航传感器不可比拟的优点，因此成为水下航行器导航定位的首选。虽然惯性导航技术日益成熟，然而其定位误差随时间积累需要定期重调以保证一定精度的这一根本特性却无法改变，因此，世界各国都在探索惯性导航的系统误差校准方法。
[0003]由于声波在水下的传输距离远，信号衰减损失小，因而水声导航被广泛应用于水下航行器的导航与定位中。超短基线定位系统由于其无需实现布放基阵，具有更高的便携性以及独立性，而在水下航行器中广泛应用。水下环境的复杂性、作战任务的多样性、以及水下航行器机动性，这些因素导致单一的超短基线导航定位或惯性导航已不能满足载体导航的需求。惯性导航和超短基线在原理和应用上可以相互辅助，相互补充，以惯性导航为核心，辅以超短基线定位技术的组合导航系统的研究已成为当前水下航行器的重要研究方向，采用惯性/超短基线的组合导航系统对于水下航行器高精度长时航行具有重要的理论意义和实用价值。
[0004]超短基线定位中，传统的斜距计算方式，忽略了声信号收发时刻位置的变化，会给斜距计算带来一定的误差。因此，考虑动态环境下的运动特性，对提高惯性/超短基线组合导航精度至关重要。

技术实现思路

[0005]针以上问题，本专利技术旨在提供一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法，通过状态转移矩阵统一信号收发时刻的误差状态，利用声信号在应答器与水听器基阵之间的往返时延作为观测量，建立新的惯性/超短基线组合导航量测模型，以达到克服由于运动导致斜距计算误差对定位精度影响的目的。
[0006]本专利技术提供一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法，包括如下步骤：
[0007](1)建立惯性/超短基线组合导航的状态方程模型；
[0008]步骤(1)中，建立惯性/超短基线组合导航的状态方程模型：
[0009]将惯导的位置误差、速度误差、姿态误差作为系统状态量，得：
[0010][0011]其中，[φ
E φ
N φ
U
]T
表示姿态的失准角误差，[δV
E δV
N δV
U
]T
表示速度误差，[δL δλ δh]T
表示位置误差，[ε
x ε
y ε
z
]T
表示陀螺仪的零偏，表示加速度计的零偏；
[0012]因此，组合导航的状态方程为：
[0013][0014]其中，F(t)表示状态转移矩阵，根据捷联惯导误差方程设置，W(t)表示过程噪声矩阵；
[0015](2)建立惯性/超短基线组合导航的方位角量测方程模型；
[0016]步骤(2)中，建立惯性/超短基线组合导航的方位角量测方程模型，具体为：
[0017]方位角的量测方程表达式为：
[0018][0019]其中，Δα和Δβ表示方位角的误差，α
usbl
，β
usbl
表示超短基线测量得到的方位角，α
ins
，β
ins
表示利用惯导及应答器位置计算得到的方位角，表示利用惯导及应答器位置计算得到的方位角，[*]1:2
表示矩阵的前两行，表示超短基线的安装误差矩阵，表示由导航系到载体系的坐标转换矩阵，表示由地球坐标系到导航系的坐标转换矩阵，p
e
为地球系下的相对位置矢量，表示为：
[0020][0021]其中，R
N
为卯酉圈曲率半径，e为椭圆偏心率，为应答器的位置，为惯导输出的位置；
[0022]C
e
表示为：
[0023][0024]其中，R
Nh
＝R
N
+h，[L λ h]分别表示经度、纬度和高度；
[0025]B
S
表示为
[0026][0027]其中，S
a
＝sin(a),S
a
＝cos(a),a＝L或λ；
[0028]H1表示为：
[0029][0030]其中，表示应答器在基阵坐标系下的相对位置，r表示斜距；
[0031](3)建立基于状步骤(3)中，建立基于状态递推的惯性/超短基线组合导航斜距量测方程模型，具体为：
[0032]声信号在发射时刻k以及接收时刻k+i对应的惯导位置为和此时惯导对应的误差状态为和通过状态转移矩阵统一不同时刻的误差状态，得到：
[0033][0034]其中，
[0035]考虑惯导误差情况下，利用收发时刻惯导位置及应答器位置计算得到的相应斜距表示为：
[0036][0037]其中，r1表示应答器与信号发射时刻船的位置之间的真实距离，r2表示应答器与信号接收时刻船的位置之间的真实距离，表示r1的误差，表示r2的误差，表示k时刻位置误差，表示k+i时刻位置误差，C
e,k+i
表示k+i时刻的C
e
矩阵值，表示k+i时刻的矩阵值，B
s,k+i
表示k+i时刻的B
S
矩阵值，矩阵值，表示k+i时刻的p
e
矩阵值，C
e,k
表示k时刻的C
e
矩阵值，表示k时刻的矩阵值，B
s,k
表示k时刻的B
S
矩阵值，值，表示k时刻的p
e
矩阵值；
[0038]超短基线测量得到的往返斜距表示为：
[0039]ct＝r1+r2‑
δr
[0040]其中，δr表示超短基线测量的误差；
[0041]因此，新的基于往返斜距的量测模型有：
[0042][0043]其中，H2‑1＝[01×
6 H
PD1 01×6]，
[0044][0045]H2‑1＝[01×
6 H
PD2 01×6]，
[0046][0047]{*}
7:9
表示向量的第7
‑
9列，
[0048][0049]态递推的惯性/超短基线组合导航斜距量测方程模型；
[0050](4)根据(1)
‑
(3)建立的状态方程以及量测方程，利用卡尔曼滤波方法进行误差的更新与反馈。
[0051]作为本专利技术进一步改进，步骤(4)中，具体为：
[0052]综合步骤(2)和(3)，惯性/超短基线的组合导航量测方程为：
[0053]Z＝HX+V＝[H本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种运动效应影响下的惯性/超短基线组合导航方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立惯性/超短基线组合导航的状态方程模型；步骤(1)中，建立惯性/超短基线组合导航的状态方程模型：将惯导的位置误差、速度误差、姿态误差作为系统状态量，得：其中，[φ
E φ
N φ
U
]
T
表示姿态的失准角误差，[δV
E δV
N δV
U
]
T
表示速度误差，[δL δλ δh]
T
表示位置误差，[ε
x ε
y ε
z
]
T
表示陀螺仪的零偏，表示加速度计的零偏；因此，组合导航的状态方程为：其中，F(t)表示状态转移矩阵，根据捷联惯导误差方程设置，W(t)表示过程噪声矩阵；(2)建立惯性/超短基线组合导航的方位角量测方程模型；步骤(2)中，建立惯性/超短基线组合导航的方位角量测方程模型，具体为：方位角的量测方程表达式为：其中，Δα和Δβ表示方位角的误差，α
usbl
，β
usbl
表示超短基线测量得到的方位角，α
ins
，β
ins
表示利用惯导及应答器位置计算得到的方位角，表示利用惯导及应答器位置计算得到的方位角，[*]
1：2
表示矩阵的前两行，表示超短基线的安装误差矩阵，表示由导航系到载体系的坐标转换矩阵，表示由地球坐标系到导航系的坐标转换矩阵，p
e
为地球系下的相对位置矢量，表示为：其中，R
N
为卯酉圈曲率半径，e为椭圆偏心率，为应答器的位置，为惯导输出的位置；C
e
表示为：其中，R
Nh
＝R
N
+h，[L λ h]分别表示经度、纬度和高度；B
S
表示为其中，S
a
＝sin(a)，S
a
＝cos(a)，a＝L或λ；H1表示为：
其中，表示应答器在基阵坐标系下的相对位置，r表示斜距；(3)建立基于状步骤(3)中，建立基于状态递推的惯性/超短基线组合导航斜距量测方程模型，具体为：声信号在发射时刻k以及接收时刻k+i对应的惯导位置为和此时惯导对应的误差状态为和通过状态转移矩阵统一不同时刻的误差状态，得到：其中，考虑惯导误差情况下，利用收发时刻惯导位置及应答器位置计算得到的相应斜距表示为：其中，r1表示应答器与信号发射时刻船的位置之间的真实距离，r2表示应答器与信号接收时刻船的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，张亮，夏茂栋，张佳宇，刘射德，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：