CN110044378A - 一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法 - Google Patents

一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法，包括导航解算模块、全球定位***模块、捷联惯性导航接收模块、多普勒测速模块，信息融合滤波模块。捷联惯性导航接收模块中的光纤陀螺仪、加速度计、磁力计输出导航姿态、速度、位置初始信息，利用动态Allan方差方法对光纤陀螺仪输出数据进行误差处理校正，将处理后的数据通过导航解算模块得到载体的速率、位置、姿态信息，最后通过信息融合滤波模块将载体的速率信息进行融合、滤波误差校正，实现水下深潜器的精准定位。本发明实现了高精度、高可靠性、强实时性的水下深潜器定位与导航，克服了传统导航***位置信息精确度的不足。

Description

一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及 方法
技术领域
本发明涉及水下深潜器的导航装置领域，尤其涉及一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法。
背景技术
随着电子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制理论的进步，从20世纪70年代开始，组合导航技术开始迅猛发展起来。早期的组合导航***道常是由陀螺罗经或平台罗经测得航向，由电磁计程仪或多普勒声纳测定航速进行推算舰位，并用罗兰c或奥米加等对推算舰位进行校准，这样就构成了组合导航***，但这样的导航***满足不了现在科技发达的导航精度，所以人们都在探索一种高精度的导航定位***及方法。
捷联惯性导航技术近年来成为国内国外的研究热点，由于光纤陀螺精度的不断提高和实际应用，为捷联惯性导航技术的研究注入了新的活力。光纤陀螺捷联惯导***的优势在于：一、用光纤陀螺代替了机械式陀螺，二、数学平台代替了物理平台。由于具有的一系列的优点，它将逐断取代平台式惯导***，并且已经成为捷联惯导***主要发展趋势。
由于捷联惯性导航***具有自主性、信息参数全面性、短时高精度等优点，但其受***初始误差(对准误差)、惯性器件误差等原因的影响，其位置误差会随时间积累而发散，长航时运行条件下将导致测量精度严重下降；全球卫星导航***(GNSS)是一种高精度的全球实时卫星导航***，其定位的全球性和高精度，使之成为一种先进的测量方式。但是GNSS也存在着一些不足之处，主要是***的工作受载体机动的影响较大，容易受到干扰和人为控制。
发明内容
发明目的：针对现有技术中捷联惯性导航***长航运行时误差大的问题，本发明提供一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法。
技术方案：一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位方法，包括以下步骤：
(1)水下深潜器入水前，对捷联惯性导航***用卡尔曼滤波进行初始对准；
(2)水下深潜器入水后，捷联惯性导航接收模块中的光纤陀螺仪测量载体初始角速率，并利用动态Allan方差方法对载体初始角速率进行修正；捷联惯性导航接收模块中的加速度计、磁力计输出载体初始位置、速度信息；
多普勒计程仪、地形地磁传感器输出载体的速度、位置、姿态信息；
(3)不断调节引起光纤陀螺仪输出数据改变的参数，分析不同参数下光纤陀螺仪输出载体角速率的稳定性，并判断动态Allan方差方法校正后的稳定程度，同时分析出使光纤陀螺仪输出数据稳定的参数，从而调节出准确的角速率，计算载体的姿态信息；
(4)将捷联惯性导航接收模块输出的载体初始速度、位置及姿态信息通过导航解算模块得到解算后的载体速度、位置、姿态信息；
(5)将步骤(4)解算后的载体速度、位置、姿态信息与多普勒测速模块、地形地磁传感器输出的载体速度、位置、姿态信息，输入到信息融合滤波模块中，根据数据类型相同、数据特征相同的准则对两部分数据进行筛选，通过卡尔曼滤波技术与神经网络技术进行滤波校正、误差处理得到准确的导航信息。
进一步的，步骤(2)中，动态Allan方差方法为已知光纤陀螺仪受外界温度的影响，通过动态Allan方差和时频域分解方法对光纤陀螺仪输出角速率进行补偿并处理，从而得到高精度的姿态信息。
进一步的，步骤(3)中，光纤陀螺仪输出角速率计算载体的姿态信息，具体过程如下：
利用公式
(1)式中：qi为规范化后的四元数。
由描述旋转刚体姿态矩阵的四元数法，易得载体姿态矩阵表示为
假设载体的方位角为ψ，俯仰角为θ，倾斜角为γ，则由旋转关系对应的坐标变换阵得到相应的姿态矩阵为
从而计算姿态角得：
进一步的，步骤(1)中，利用全球定位***模块确定载体速度、位置和姿态信息。
一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***，包括全球定位***模块、捷联惯性导航接收模块、多普勒计程仪、地形地磁传感器、信息融合滤波模块、导航解算模块，所述全球定位***模块用于在载体入水前确定载体速度、位置及姿态信息；捷联惯性导航接收模块用于在载体入水后测量载体速度、位置及姿态信息；多普勒计程仪用于测量载体速度，地形地磁传感器用于测量载体的位置、姿态信息；信息融合滤波模块用于对捷联惯性导航接收模块输出的载体速度、位置及姿态信息与多普勒计程仪、地形地磁传感器输出的载体速度、位置及姿态信息进行融合、滤波校正；导航解算模块用于将捷联惯性导航接收模块输出的数据和融合校正处理后的数据进行解算处理，得到准确的导航速度、位置、姿态信息。
进一步的，所述捷联惯性导航接收模块包括光纤陀螺仪、加速度计、磁力计，光纤陀螺仪用于测量载体角速率，加速度计、磁力计用于测量载体的位置、速度信息。
进一步的，引起光纤陀螺仪输出数据改变的参数包括环境温度、外界压力、载体振动幅度。
有益效果：本发明提供一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***及方法，与现有技术相比，其优点在于：实现了高精度、高可靠性、强实时性；充分利用有限的导航数据实现高精度、高可靠性的水下深潜器定位与导航，克服了传统导航***位置信息精确度的不足，利用光纤陀螺仪的特性，以动态Allan方差方法，对载体的姿态信息进行修正，同时利用多普勒计程仪、地形地磁传感器弥补了SINS在水下导航时SINS的累计误差和长时不稳定性，从而精准推算出水下深潜器的姿态、速度、位置信息。
附图说明
图1是本发明所述的水下深潜器高精度定位***示意图；
图2是多普勒计程仪工作过程原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位******包括导航解算模块、全球定位***模块、捷联惯性导航接收模块、多普勒测速模块、信息融合滤波模块；水下深潜器上设有导航解算模块、全球定位***模块、捷联惯性导航接收模块、多普勒测速模块、信息融合滤波模块；入水前根据全球定位***模块确定载体的速度、位置和姿态信息，以修正SINS的累积误差；入水后捷联惯性导航接收模块中根据光纤陀螺仪和加速度计输出的数据通过导航解算模块解算出载体的速度、位置和姿态信息，多普勒测速模块、地形地磁传感器输出载体的速度、位置和姿态信息，最后通过信息融合滤波模块对载体的速度、位置和姿态信息进行融合、滤波校正。
(1)在水下深潜器放入水中之前，先用外部GPS辅助信息组合对准方法对深潜器进行初始对准，使深潜器入水前按预计的角度入水。
(2)水下深潜器入水后，捷联惯性导航接收模块中的光纤陀螺仪测量载体初始角速率，并利用动态Allan方差方法对载体初始角速率进行修正；捷联惯性导航接收模块中的加速度计、磁力计输出载体初始位置、速度信息；
多普勒计程仪、地形地磁传感器输出载体的速度、位置、姿态信息。多普勒计程仪通过向海底发射超声波，超声波到达海底后又反射回多普勒计程仪，从而产生多普勒效应，根据相应公式计算出载体的速度信息，多普勒计程仪工作过程如图2所示。
(3)在水下导航中，捷联惯性导航接收模块中光纤陀螺存在光纤陀螺漂移，是一个最基本的误差项因为在对旋转速率信号积分得到角度的过程中白噪声被平均导致长期工作中漂移成为误差积累的主要因素，利用动态Allan方差方法对光纤陀螺仪输出数据进行温度补偿、噪声处理，然后利用时频域分解方法对数据进行采样处理；不断调节引起光纤陀螺仪输出数据改变的参数如环境温度、外界压力、载体振动幅度等，分析不同参数下光纤陀螺仪输出载体角速率的稳定性，利用动态Allan方差方法对输出数据进行分析处理，从而得到使光纤陀螺仪输出稳定数据的参数，在稳定参数下得到准确的角速率，计算载体的姿态信息；
本实施例利用高精度的光纤陀螺仪提高了水下深潜器组合导航的精度、稳定性、低功耗及长航时。光纤陀螺仪输出角速率计算载体的姿态信息，具体过程如下：
利用公式
(1)式中：qi为规范化后的四元数。
由描述旋转刚体姿态矩阵的四元数法，易得载体姿态矩阵表示为
假设载体的方位角为ψ，俯仰角为θ，倾斜角为γ，则由旋转关系对应的坐标变换阵得到相应的姿态矩阵为
从而计算姿态角得：
(4)将捷联惯性导航接收模块输出的载体初始速度、位置及姿态信息通过导航解算模块得到解算后的载体速度、位置、姿态信息；
(5)将步骤(4)解算后的载体速度、位置、姿态信息与多普勒测速模块、地形地磁传感器输出的载体速度、位置、姿态信息，根据数据类型相同、数据特征相同等准则对两部分数据进行筛选，经过信息融合滤波模块中卡尔曼滤波处理校正、神经网络信息融合，从而准确地确定水下深潜器的姿态、位置、速度信息。
多普勒测速模块地形地磁传感器输出的数据主要起辅助作用，辅助捷联惯性导航***的初始对准；同时多普勒测速模块地形地磁传感器输出的数据弥补捷联惯性导航模块输出数据实时性的不足，而捷联惯性导航模块输出数据可以弥补多普勒测速模块地形地磁传感器输出的数据抗干扰能力差、精准度低的缺点，所以要进行融合，以克服单个传感器输出数据的不确定性和局限性，从而提高导航精度。
DSP采集的是KVH DSP-1750光纤陀螺仪数据，KVH DSP-1750是美国KVH公司生产的小型化开环光纤陀螺，使用独有的D型光纤和数字处理技术，在小型体积光纤陀螺内实现了接近更大体积、也更昂贵的闭环光纤陀螺和激光陀螺的性能水平。DSP-1750提供单轴和双轴产品，产品表头和处理电路分离，方便用户将陀螺仪集成进各类应用环境。特别适合于各类平台伺服与稳定、组合导航应用。另外，它具有低噪音，交叉轴误差的不灵敏性，良好的冲击和震动特性，结合我们内在的简易而可靠的成熟的光纤电路，完美的性能确立了KVHDSP-1750成功应用在动态传感、稳定、导航、和精确定位方面。主要用在航空航天、海洋、苛刻的工业和军事。
GNSS可以实时修正SINS的累积误差，还可以实现惯性器件误差的标定；同时，利用SINS可以辅助GNSS，提高其跟踪卫星的能力，增强接收机的动态特性和抗干扰能力，当卫星信号失锁时，SINS还能输出持续的测量数据；入水后将SINS与多普勒计程仪、地形地磁传感器组合成组合导航***，实现水下精确导航定位，因此二者结合可克服各自缺点。

Claims (7)

1.一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水下深潜器入水前，对捷联惯性导航***用卡尔曼滤波进行初始对准；
(2)水下深潜器入水后，捷联惯性导航接收模块中的光纤陀螺仪测量载体初始角速率，并利用动态Allan方差方法对载体初始角速率进行修正；捷联惯性导航接收模块中的加速度计、磁力计输出载体初始位置、速度信息；
多普勒计程仪、地形地磁传感器输出载体的速度、位置、姿态信息；
(3)不断调节引起光纤陀螺仪输出数据改变的参数，分析不同参数下光纤陀螺仪输出载体角速率的稳定性，并判断动态Allan方差方法校正后的稳定程度，同时分析出使光纤陀螺仪输出数据稳定的参数，从而调节出准确的角速率，计算载体的姿态信息；
(4)将捷联惯性导航接收模块输出的载体初始速度、位置及姿态信息通过导航解算模块得到解算后的载体速度、位置、姿态信息；
(5)将步骤(4)解算后的载体速度、位置、姿态信息与多普勒测速模块、地形地磁传感器输出的载体速度、位置、姿态信息，输入到信息融合滤波模块中，根据数据类型相同、数据特征相同的准则对两部分数据进行筛选，通过卡尔曼滤波技术与神经网络技术进行滤波校正、误差处理得到准确的导航信息。
2.根据权利要求1所述的用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位方法，其特征在于，步骤(2)中，动态Allan方差方法为已知光纤陀螺仪受外界温度的影响，通过动态Allan方差和时频域分解方法对光纤陀螺仪输出角速率进行补偿并处理，从而得到高精度的姿态信息。
3.根据权利要求1所述的用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位方法，其特征在于，步骤(3)中，光纤陀螺仪输出角速率计算载体的姿态信息，具体过程如下：
利用公式
(1)式中：qi为规范化后的四元数。
由描述旋转刚体姿态矩阵的四元数法，易得载体姿态矩阵表示为
假设载体的方位角为ψ，俯仰角为θ，倾斜角为γ，则由旋转关系对应的坐标变换阵得到相应的姿态矩阵为
从而计算姿态角得：
4.根据权利要求1所述的用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位方法，其特征在于，步骤(1)中，利用全球定位***模块确定载体速度、位置和姿态信息。
5.一种用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***，其特征在于，包括全球定位***模块、捷联惯性导航接收模块、多普勒计程仪、地形地磁传感器、信息融合滤波模块、导航解算模块，所述全球定位***模块用于在载体入水前确定载体速度、位置及姿态信息；捷联惯性导航接收模块用于在载体入水后测量载体速度、位置及姿态信息；多普勒计程仪用于测量载体速度，地形地磁传感器用于测量载体的位置、姿态信息；信息融合滤波模块用于对捷联惯性导航接收模块输出的载体速度、位置及姿态信息与多普勒计程仪、地形地磁传感器输出的载体速度、位置及姿态信息通过卡尔曼滤波技术与神经网络技术进行融合、滤波校正；导航解算模块用于将捷联惯性导航接收模块输出的数据和融合校正处理后的数据进行解算处理，得到准确的导航速度、位置、姿态信息。
6.根据权利要求5所述的用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***，其特征在于，所述捷联惯性导航接收模块包括光纤陀螺仪、加速度计、磁力计，光纤陀螺仪用于测量载体角速率，加速度计、磁力计用于测量载体的位置、速度信息。
7.根据权利要求1所述的用于水下深潜器的光纤捷联惯性导航高精度定位***，其特征在于，步骤(3)中，引起光纤陀螺仪输出数据改变的参数包括环境温度、外界压力、载体振动幅度。
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