一种融合多种数据的水下导航方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种融合多种数据的水下导航方法及装置，所述方法包括：建立包括微惯性组合单元、磁传感器、深度传感器的组合导航系统，确定所述组合导航系统状态初值；微惯性组合单元构成捷联惯导系统，对组合导航系统进行状态更新，估计出当前时刻所述组合导航系统的姿态误差、速度误差、位置误差；对磁传感器同步测量得到的地磁数据和目标区域地磁场数据进行处理，得到所述组合导航系统所处位置的经纬度；构成建量测信息，进而对组合导航系统的卡尔曼滤波状态量进行估计；对组合导航系统的输出进行实时校正，得到组合导航系统校正后的姿态信息、速度信息及位置信息。本发明专利技术的方法，能够得到高精度信息。够得到高精度信息。够得到高精度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种融合多种数据的水下导航方法及装置


[0001]本专利技术涉及导航
，具体涉及一种融合多种数据的水下导航方法及装置。

技术介绍

[0002]自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为海洋勘探开发的重要装备，高精度、高可靠性的导航系统是AUV实现自主作业及安全回收的关键。
[0003]由于惯导解算误差会随时间累积，长时间工作精度下降，因此需要辅助导航技术进行误差修正。
[0004]本专利技术考虑到地磁导航作为一种被动式导航系统，具有成本低、抗干扰、全地域、导航精度适中等优点，而且不会受到海洋、沙漠等地形特征不明显的区域的限制，不会受到天气的影响，也不会向外辐射能量，具有无源性。可以很好地补偿惯导系统水下长时间工作精度下降的问题。
[0005]本专利技术采用卡尔曼滤波对微惯性测量单元及磁传感器、深度传感器数据进行融合，得到优于单独捷联惯导系统与单独地磁匹配导航系统的姿态、速度、位置信息。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种融合多种数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合多种数据的水下导航方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：建立包括微惯性组合单元、磁传感器、深度传感器的组合导航系统，利用其中的微惯性组合单元及磁传感器进行初始对准，确定所述组合导航系统状态初值；步骤S2：所述微惯性组合单元构成捷联惯导系统，对所述组合导航系统进行状态更新，估计出当前时刻所述组合导航系统的姿态误差、速度误差、位置误差；步骤S3：对磁传感器同步测量得到的地磁数据和目标区域地磁场数据进行处理，对处理后的数据进行地磁匹配解算，得到所述组合导航系统所处位置的经纬度；步骤S4：由解算得到的所述组合导航系统的经纬度、组合导航系统的深度传感器输出的组合导航系统深度信息、以及所述捷联惯导系统输出的位置误差构成量测信息，进而对组合导航系统的卡尔曼滤波状态量进行估计；步骤S5：基于估计的卡尔曼滤波状态量对所述组合导航系统的输出进行实时校正，得到组合导航系统校正后的姿态信息、速度信息及位置信息。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1，包括：初始时刻，有以下关系：其中，g为重力加速度，为重力加速度在载体坐标系下的三轴输出，载体是指组合导航系统的安装载体，β、γ分别为初始时刻载体的俯仰角与横滚角，根据公式(2)计算：(2)计算：载体坐标系与导航坐标系是不重合的，此时，地球磁场在各个轴的分量会产生叠加，对所述磁传感器测得的地球磁场在载体坐标系三个轴上的分量，先求出它们在水平面内的投影，进而求解初始时刻的载体的航向角α，其中：m
x
′
＝m
x
cosβ+m
y
sinβsinγ
‑
m
z
sinβcosγm
y
′
＝m
y
cosγ+m
z
sinγ
ꢀꢀꢀꢀ
(5)α＝arctan2(m
x
′
,m
y
′
)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，[m
x m
y m
z
]
T
为地球磁场在载体坐标系下的三轴输出，[m
x
′ꢀ
m
y
′
]
T
为地球磁场在导航坐标系水平面上的投影；所述组合导航系统状态初值为初始时刻组合导航系统姿态[α,β,γ]，所述组合导航系统的初始速度及位置由外界给出。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：根据捷联惯导系统微分方程推导捷联惯导系统误差方程，基于所述捷联惯导系统误差
方程建立组合导航系统状态方程，再建立组合导航系统量测方程；将所述组合导航系统的姿态误差、速度误差、位置误差作为所述组合导航系统状态变量，基于所述组合导航系统量测方程，利用卡尔曼滤波对所述组合导航系统状态变量进行实时修正更新，进而对所述组合导航系统进行状态更新，估计出当前时刻所述组合导航系统的姿态误差、速度误差、位置误差；其中，所述组合导航系统量测方程为：Z＝HX+v
ꢀꢀ
(15)其中，Z＝[δL
′ꢀ
δλ
′ꢀ
δh
′
]，δL
′
为根据磁传感器推算的纬度信息与捷联惯性导航系统计算的纬度之差，δλ
′
为根据磁传感器推算的经度信息与捷联惯性导航系统计算的经度之差，δh
′
为捷联惯性导航系统计算的深度与深度传感器输出的深度之差，H为组合导航系统量测矩阵，v为组合导航系统量测噪声矩阵。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：步骤S31：利用三轴磁传感器等距测量地磁信息，得到地磁数据和目标区域地磁场数据，并对所述地磁数据和目标区域地磁场数据进行处理；其中，地磁磁位在全局地磁场模型中用如下所示公式表示：式中：a是参考球体半径；r是参考球体中心到地球空间某计算点的长度；θ为余纬度，θ＝π/2
‑
L
mag
，L
mag
是待计算点的磁场纬度；和是高斯系数；λ为待计算点的经度；t1为球谐级数的次，t2为球谐级数的阶，叫做斯密特归一化Legendre函数；斯密特归一化Legendre函数是按照如下式所示的方法计算的：其中，d表示求导；步骤S32：对处理后的数据进行地磁匹配解算，得到组合导航系统所处位置的经纬度；再对所述捷联惯导系统的位置进行校正。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S32，包括：步骤S321:所述捷联惯导系统输出一定数目初始参考位置点集，记为Ht；磁传感器同步测量得到对应位置点的地磁数据集，记为Mt；步骤S322：根据所述捷联惯导系统的导航精度和估计累积误差，获得载体预估的位置范围；再从载体所携带的先验高精度地磁图中，获得该载体在此位置范围内的基准地磁数据集；步骤S323：计算搜索区域内相应的等值线，即C(Mt
s
),s＝1,2,
…
,U，U是所述捷联惯导系
统得出的某匹配区域内的采样点数；s为匹配路径上第s个采样点；求取所述捷联惯导系统输出经纬度与地磁图等值线上各点经纬度的平方差和B
d
，平方差和最小的点即为等值线上最接近Ht
s
的点P
s
；平方差和的计算公式如下：式中：C
tx

【专利技术属性】
技术研发人员：邓超凡，伍东凌，陈正想，吕冰，孟诚，窦柯，
申请(专利权)人：宜昌测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：