CN110146075A - 一种增益补偿自适应滤波的sins/dvl组合定位方法 - Google Patents

一种增益补偿自适应滤波的sins/dvl组合定位方法 Download PDF

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Abstract

一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法，涉及高精度SINS/DVL组合定位。本发明是为了有效解决由于传统SINS/DVL组合导航的滤波算法灵活性不足的影响，导致定位精度较低的问题。本发明所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法，首先基于捷联惯导***和多普勒计程仪传感器的信息，获取相应状态初值和观测值；然后建立基于组合导航误差模型对应的***方程和观测方程，用增益补偿改进自适应滤波算法对误差进行校正，并获取校正后目标的速度和位置误差信息；最后将获得的误差信息和捷联惯导与多普勒计程仪的观测信息进行融合，得出高精度的定位结果。

Description

一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法
技术领域
本发明涉及高精度的水下定位技术
背景技术
在实际的水下定位过程中，由于水下环境的复杂多变，使得捷联惯导与多普勒计程仪组合定位(SINS/DVL)***的***噪声和量测噪声的统计特性往往具有一定的时变性。为了对卡尔曼滤波算法进行合理的改进使其对噪声统计特性的变化具有一定的自适应能力，从而来进一步提高滤波精度，达到高精度的定位。本发明采用滤波增益补偿方法对改进自适应滤波算法进行优化，采用优化后的滤波算法对定位***误差发散的情况进行抑制，从而实现提高定位精度的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决由于复杂水下环境下SINS/DVL组合定位方法***噪声时变特性，导致定位精度较低的问题，提出一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法。
本发明所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法包括以下步骤：
步骤一、***建立SINS/DVL组合定位误差模型状态变量X＝[δvE δvN α β γ δL δλ εE εN εU δvd δΔ δC]T，其中δvE和δvN为东、北向速度误差，α、β、γ为平台失准角，δL和δλ为经度误差和纬度误差，εE、εN、εU为东、北、天方向陀螺漂移，δvd为多普勒测量速度偏移误差，δΔ为偏流角误差，δC为刻度系数误差；
步骤二、***通过惯性导航组件中的陀螺仪敏感载体的三轴角速度信息和加速度计测得三轴(东、北、天)加速度信息aE、aN、aH，由多普勒计程仪获得速度vd、偏流角Δ和姿态等导航信息；
步骤三、***将这三个方向的加速度分量aE、aN、aH带入公式(1)分别进行积分，即可得到载体沿这三个方向的速度分量vE、vN、vH。再将三个速度分量带入公式(2)进行积分得到载体的经度L、纬度λ和深度d，其中R为地球半径，t0为运动初始时刻，tk为运动过程中某时刻；
***将这些信息带入公式(3)～(15)中求出误差模型对应的各状态变量X＝[δvEδvN α β γ δL δλ εE εN εU δvd δΔ δC]T：
其中，Ω为陀螺振动频率为常量，g为重力加速度为常量，ΔaN，ΔaE为加速度误差；
东向和北向速度误差公式：
平台失准角：
位置误差：
陀螺漂移：
εE＝-βEεE+wE (10)
εN＝-βNεN+wN (11)
εU＝-βUεU+wU (12)
为陀螺仪在东、北、天方向的误差相关时间，wE、
wN、wU为高斯白噪声；
多普勒计程仪的速度、偏流角和刻度误差：
δvd＝-βdδvd+wd (13)
δΔ＝-βΔδΔ+wΔ (14)
δC＝0 (15)
其中为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间，wd、wΔ为高斯白噪声；
步骤四、***建立***状态方程和***量测方程，如公式(16)和式(21)所示：
状态方程描述为：
式中：
WSINS＝[0 0 aE aN 0 0 0 wE wN wU wd wΔ 0]T (17)
根据式(3)～(15)建立状态传递阵FSINS/DVL
其中：
有：
对于F6×6有：
***量测方程为：
对于HSINS/DVL和VSINS/DVL有：
VSINS/DVL＝[vE vN]T (23)
这里***噪声方差阵：
量测噪声方差阵：
步骤五、***建立滤波增益改进自适应滤波算法，并对滤波增益改进自适应卡尔曼滤波算法***的状态方程和量测方程进行描述，如公式(26)、(27)：
状态方程描述为：
Xk＝FkXk-1+GWk (26)
***量测方程为：
其中，Xk为k时刻的状态变量值；Xk-1为k-1时刻的状态变量；F为作用在Xk-1上的状态变换系数；Wk为k时刻的状态噪声值；G为作用在上Wk的系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，由捷联惯导的东向、北向速度误差和多普勒计程仪东向北向速度误差的差构成；Vk为k时刻的观测噪声值；
步骤六、将Fk，Gk，Wk，Hk，Vk，以及初始的状态变量X带入***的状态方程和量测方程进行一步预测，求出k时刻预测的量测值和 为k时刻量测值的误差；
步骤七、***根据稳定性判据，判断若成立则***发散，执行步骤八，采用增益补偿自适应滤波；若不成立则***收敛，执行步骤九，采用增益补偿强跟踪卡尔曼滤波；
步骤八、***将对应参数及量代入公式(28)～(37)中进行计算，
其中，为k时刻的状态变量值；为由k-1时刻的状态变量所得到的k时刻的预测值；Fk,k-1为作用在上的状态变换系数；Kk为作用在上的滤波增益补偿卡尔曼系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，k时刻预测的量测值为Pk,k-1为先验估计误差协方差值；Pk为后验估计误差协方差值；在(28)～(33)式子中分别由时变噪声估值方程所计算得式(34)～(37)：
实现增益补偿自适应滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十。
步骤九、***将对应参数及参量代入公式(38)～(46)中进行计算：
λk+1＝diag[λ1(k+1),λ2(k+1),…,λm(k+1)] (41)
实现增益补偿强跟踪卡尔曼滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十；
步骤十、***更新变换k＝k+1，将得到的状态变量估计值记为新的状态变量值
步骤十一、***判断k是否等于n，如果是，则执行步骤十二，否则执行步骤六；
步骤十二、***得到生成的***状态变量序列 输出的最终结果即为当前时刻经过滤波校正后的状态结果。包含是误差量的校正结果，再结合当前时刻SINS/DVL组合定位***的观测值Yn＝[vEn vNn Lnλn vdn]T，得到校正后的航行器东向、北向速度和经纬度信息以及多普勒计程仪的速度信息其中，
步骤十三、***判断SINS/DVL组合定位任务是否完成，如果是，执行步骤十四，否则执行步骤二；
步骤十四、***结束增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位任务。
附图说明
图1为一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一
步骤一、***建立SINS/DVL组合定位误差模型状态变量X＝[δvE δvN α β γ δL δλ εE εN εU δvd δΔ δC]T，其中δvE和δvN为东、北向速度误差，α、β、γ为平台失准角，δL和δλ为经度误差和纬度误差，εE、εN、εU为东、北、天方向陀螺漂移，δvd为多普勒测量速度偏移误差，δΔ为偏流角误差，δC为刻度系数误差；
步骤二、***通过惯性导航组件中的陀螺仪敏感载体的三轴角速度信息和加速度计测得三轴(东、北、天)加速度信息aE、aN、aH，由多普勒计程仪获得速度vd、偏流角Δ和姿态等导航信息；
步骤三、***将这三个方向的加速度分量aE、aN、aH带入公式(1)分别进行积分，即可得到载体沿这三个方向的速度分量vE、vN、vH。再将三个速度分量带入公式(2)进行积分得到载体的经度L、纬度λ和深度d，其中R为地球半径，t0为运动初始时刻，tk为运动过程中某时刻；
***将这些信息带入公式(3)～(15)中求出误差模型对应的各状态变量X＝[δvEδvN α β γ δL δλ εE εN εU δvd δΔ δC]T：
其中，Ω为陀螺振动频率为常量，g为重力加速度为常量，ΔaN，ΔaE为加速度误差；
东向和北向速度误差公式：
平台失准角：
位置误差：
陀螺漂移：
εE＝-βEεE+wE (10)
εN＝-βNεN+wN (11)
εU＝-βUεU+wU (12)
为陀螺仪在东、北、天方向的误差相关时间，wE、
wN、wU为高斯白噪声；
多普勒计程仪的速度、偏流角和刻度误差：
δvd＝-βdδvd+wd (13)
δΔ＝-βΔδΔ+wΔ (14)
δC＝0 (15)
其中为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间，wd、wΔ为高斯白噪声；
步骤四、***建立***状态方程和***量测方程，如公式(16)和式(21)所示：
状态方程描述为：
式中：
WSINS＝[0 0 aE aN 0 0 0 wE wN wU wd wΔ 0]T (17)
根据式(3)～(15)建立状态传递阵FSINS/DVL
其中：
有：
对于F6×6有：
***量测方程为：
对于HSINS/DVL和VSINS/DVL有：
VSINS/DVL＝[vE vN]T (23)
这里***噪声方差阵：
量测噪声方差阵：
步骤五、***建立滤波增益改进自适应滤波算法，并对滤波增益改进自适应卡尔曼滤波算法***的状态方程和量测方程进行描述，如公式(26)、(27)：
状态方程描述为：
Xk＝FkXk-1+GWk (26)
***量测方程为：
其中，Xk为k时刻的状态变量值；Xk-1为k-1时刻的状态变量；F为作用在Xk-1上的状态变换系数；Wk为k时刻的状态噪声值；G为作用在上Wk的系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，由捷联惯导的东向、北向速度误差和多普勒计程仪东向北向速度误差的差构成；Vk为k时刻的观测噪声值；
步骤六、将Fk，Gk，Wk，Hk，Vk，以及初始的状态变量X带入***的状态方程和量测方程进行一步预测，求出k时刻预测的量测值和 为k时刻量测值的误差；
步骤七、***根据稳定性判据，判断若成立则***发散，执行步骤八，采用增益补偿自适应滤波；若不成立则***收敛，执行步骤九，采用增益补偿强跟踪卡尔曼滤波；
步骤八、***将对应参数及量代入公式(28)～(37)中进行计算，
其中，为k时刻的状态变量值；为由k-1时刻的状态变量所得到的k时刻的预测值；Fk,k-1为作用在上的状态变换系数；Kk为作用在上的滤波增益补偿卡尔曼系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，k时刻预测的量测值为Pk,k-1为先验估计误差协方差值；Pk为后验估计误差协方差值；在(28)～(33)式子中分别由时变噪声估值方程所计算得式(34)～(37)：
实现增益补偿自适应滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十。
步骤九、***将对应参数及参量代入公式(38)～(46)中进行计算：
λk+1＝diag[λ1(k+1),λ2(k+1),…,λm(k+1)] (41)
实现增益补偿强跟踪卡尔曼滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十；
步骤十、***更新变换k＝k+1，将得到的状态变量估计值记为新的状态变量值
步骤十一、***判断k是否等于n，如果是，则执行步骤十二，否则执行步骤六；
步骤十二、***得到生成的***状态变量序列 输出的最终结果即为当前时刻经过滤波校正后的状态结果。包含是误差量的校正结果，再结合当前时刻SINS/DVL组合定位***的观测值Yn＝[vEn vNn Lnλn vdn]T，得到校正后的航行器东向、北向速度和经纬度信息以及多普勒计程仪的速度信息其中，
步骤十三、***判断SINS/DVL组合定位任务是否完成，如果是，执行步骤十四，否则执行步骤二；
步骤十四、***结束增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位任务。
具体实施方案二，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法的步骤七进一步说明，其特征在于判断滤波是否发散的判据，根据滤波估计的误差与期望误差的大小关系来判断。
具体实施方案三，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法的做出进一步说明，其特征在于采用的滤波增益补偿算法，针对水下海流的外部干扰或者水下航行器的航速航向发生突变，会使得滤波过程得估计值在跟踪水下航行器得真实状态时有轻微的延迟，从而使得导航精度和质量下降的问题，可以实现快速对***状态进行实时跟踪并减小误差的积累速度。
具体实施方案四，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法做出进一步说明，其特征在于采用改进自适应卡尔曼滤波，既可以获得既能保证滤波精度，又可以有效阻止滤波过程发散。
具体实施方案五，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法做出进一步说明，其特征在于采用增益补偿改进自适应滤波算法，将增益补偿算法和改进自适应卡尔曼算法融合，融合算法的精确度相比于融合之前的算法要高出一个数量级。

Claims (5)

1.一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、***建立SINS/DVL组合定位误差模型状态变量X＝[δvE δvN α β γ δL δλ εEεN εU δvd δΔ δC]T，其中δvE和δvN为东、北向速度误差，α、β、γ为平台失准角，δL和δλ为经度误差和纬度误差，εE、εN、εU为东、北、天方向陀螺漂移，δvd为多普勒测量速度偏移误差，δΔ为偏流角误差，δC为刻度系数误差；
步骤二、***通过惯性导航组件中的陀螺仪敏感载体的三轴角速度信息和加速度计测得三轴(东、北、天)加速度信息aE、aN、aH，由多普勒计程仪获得速度vd、偏流角Δ和姿态等导航信息；
步骤三、***将这三个方向的加速度分量aE、aN、aH带入公式(1)分别进行积分，即可得到载体沿这三个方向的速度分量vE、vN、vH。再将三个速度分量带入公式(2)进行积分得到载体的经度L、纬度λ和深度d，其中R为地球半径，t0为运动初始时刻，tk为运动过程中某时刻；
***将这些信息带入公式(3)～(15)中求出误差模型对应的各状态变量X＝[δvE δvN αβ γ δL δλ εE εN εU δvd δΔ δC]T：
其中，Ω为陀螺振动频率为常量，g为重力加速度为常量，ΔaN，ΔaE为加速度误差；
东向和北向速度误差公式：
平台失准角：
位置误差：
陀螺漂移：
εE＝-βEεE+wE (10)
εN＝-βNεN+wN (11)
εU＝-βUεU+wU (12)
为陀螺仪在东、北、天方向的误差相关时间，wE、wN、wU为高斯白噪声；
多普勒计程仪的速度、偏流角和刻度误差：
δvd＝-βdδvd+wd (13)
δΔ＝-βΔδΔ+wΔ (14)
δC＝0 (15)
其中为速度偏移误差和偏流角误差的相关时间，wd、wΔ为高斯白噪声；
步骤四、***建立***状态方程和***量测方程，如公式(16)和式(21)所示：
状态方程描述为：
式中：
WSINS＝[0 0 aE aN 0 0 0 wE wN wU wd wΔ 0]T (17)
根据式(3)～(15)建立状态传递阵FSINS/DVL
其中：
有：
对于F6×6有：
***量测方程为：
对于HSINS/DVL和VSINS/DVL有：
VSINS/DVL＝[vE vN]T (23)
这里***噪声方差阵：
量测噪声方差阵：
步骤五、***建立滤波增益改进自适应滤波算法，并对滤波增益改进自适应卡尔曼滤波算法***的状态方程和量测方程进行描述，如公式(26)、(27)：
状态方程描述为：
Xk＝FkXk-1+GWk (26)
***量测方程为：
其中，Xk为k时刻的状态变量值；Xk-1为k-1时刻的状态变量；F为作用在Xk-1上的状态变换系数；Wk为k时刻的状态噪声值；G为作用在上Wk的系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，由捷联惯导的东向、北向速度误差和多普勒计程仪东向北向速度误差的差构成；Vk为k时刻的观测噪声值；
步骤六、将Fk，Gk，Wk，Hk，Vk，以及初始的状态变量X带入***的状态方程和量测方程进行一步预测，求出k时刻预测的量测值和 为k时刻量测值的误差；
步骤七、***根据稳定性判据，判断若成立则***发散，执行步骤八，采用增益补偿自适应滤波；若不成立则***收敛，执行步骤九，采用增益补偿强跟踪卡尔曼滤波；
步骤八、***将对应参数及量代入公式(28)～(37)中进行计算，
其中，为k时刻的状态变量值；为由k-1时刻的状态变量所得到的k时刻的预测值；Fk,k-1为作用在上的状态变换系数；Kk为作用在上的滤波增益补偿卡尔曼系数；Hk为观测模型系数，把真实状态空间映射成观测空间；Zk为k时刻的观测值，k时刻预测的量测值为Pk,k-1为先验估计误差协方差值；Pk为后验估计误差协方差值；在(28)～(33)式子中分别由时变噪声估值方程所计算得式(34)～(37)：
实现增益补偿自适应滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十。
步骤九、***将对应参数及参量代入公式(38)～(46)中进行计算：
λk+1＝diag[λ1(k+1),λ2(k+1),…,λm(k+1)] (41)
实现增益补偿强跟踪卡尔曼滤波，得到下一时刻状态变量估计值执行步骤十；
步骤十、***更新变换k＝k+1，将得到的状态变量估计值记为新的状态变量值
步骤十一、***判断k是否等于n，如果是，则执行步骤十二，否则执行步骤六；
步骤十二、***得到生成的***状态变量序列 输出的最终结果即为当前时刻经过滤波校正后的状态结果。包含是误差量的校正结果，再结合当前时刻SINS/DVL组合定位***的观测值Yn＝[vEn vNn Ln λn vdn]T，得到校正后的航行器东向、北向速度和经纬度信息以及多普勒计程仪的速度信息其中，
步骤十三、***判断SINS/DVL组合定位任务是否完成，如果是，执行步骤十四，否则执行步骤二；
步骤十四、***结束增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位任务。
2.根据权利要求1所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法的步骤七进一步说明，其特征在于判断滤波是否发散的判据，根据滤波估计的误差与期望误差的大小关系来判断。
3.根据权利要求1所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法的做出进一步说明，其特征在于采用的滤波增益补偿算法，针对水下海流的外部干扰或者水下航行器的航速航向发生突变，会使得滤波过程得估计值在跟踪水下航行器得真实状态时有轻微的延迟，从而使得导航精度和质量下降的问题，可以实现快速对***状态进行实时跟踪并减小误差的积累速度。
4.根据权利要求1所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法做出进一步说明，其特征在于采用改进自适应卡尔曼滤波，既可以获得既能保证滤波精度，又可以有效阻止滤波过程发散。
5.根据权利要求1所述的一种增益补偿自适应滤波的SINS/DVL组合定位方法做出进一步说明，其特征在于采用增益补偿改进自适应滤波算法，将增益补偿算法和改进自适应卡尔曼算法融合，融合算法的精确度相比于融合之前的算法要高出一个数量级。
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