CN111397603B - 载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法 - Google Patents

载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，包括：首先将DVL测速信息转换为多普勒频移信息；其次用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度；对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量和观测矢量；采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，最终更新当前姿态信息。本发明能有效地提高SINS/DVL组合导航***粗对准阶段的收敛速度，精度及鲁棒性。

Description

载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法
技术领域
本发明是一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，属于组合导航对准技术，特别适用于水下组合导航领域。
背景技术
在水下组合导航***中，基于SINS(即：捷联惯性导航***)/DVL(即：多普勒测速仪)的组合导航具有高自主性和隐蔽性，是最常用的水下组合导航方式之一。SINS/DVL组合导航***中，初始姿态精度作为关键指标，影响着整个组合导航***精度。粗对准通过计算粗略的姿态信息，为精对准和后续导航提供初始姿态信息，在整个水下航行任务中起着关键作用。
现有技术中对SINS/DVL组合导航***的粗对准方法主要有解析法，矢量定姿法等多种方法。现有粗对准方法未考虑载体动态情况下由于姿态变化引入的DVL测速误差。该误差作为观测进入SINS/DVL粗对准算法，将大幅降低粗对准速度，精度指标。为了提高SINS/DVL 粗对准鲁棒性，亟需提出一种适用于载体姿态动态情况的粗对准方法。
发明内容
发明目的：为了提高SINS/DVL***粗对准的收敛速度，精度及鲁棒性，本发明提出了一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒(SINS/DVL)动基座粗对准方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，该方法包括如下步骤：
S1：将DVL测速信息转换为多普勒频移信息；
S2：用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度；
S3：对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量和观测矢量；
S4：采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息。
所述的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，所述步骤S1具体包括以下过程：
若DVL输出测速信息，则将DVL输出的测速信息转换为多普勒频移信息：
Figure BDA0002465734050000021
Figure BDA0002465734050000022
[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率，A为转换矩阵，
Figure BDA0002465734050000023
为DVL测速信息，C为超声波波速，α为波束倾角；
若DVL直接输出多普勒频移信息，则直接使用DVL输出多普勒频移信息。
所述的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，所述步骤S2具体包括以下过程：
用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度：
S2.1用SINS中陀螺输出角速度跟踪载体系b系在DVL信号发射t1时刻和信号接收t2 时刻间的变化情况，构建相应姿态变化矩阵：
Figure BDA0002465734050000024
其中，
Figure BDA0002465734050000025
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵导数，
Figure BDA0002465734050000026
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，初始值为单位阵I，
Figure BDA0002465734050000027
为陀螺角速度，[×]为反对称阵；
S2.2用SINS信息补偿并估计当前DVL测速信息：
Figure BDA0002465734050000028
其中，
Figure BDA0002465734050000029
为t2接收时刻b系下的DVL速度，C为超声波波速，I为单位阵，
Figure BDA00024657340500000210
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，A为转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率。
所述的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，所述步骤S3具体包括以下过程：
对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure BDA0002465734050000031
Figure BDA0002465734050000032
其中，
Figure BDA0002465734050000033
为n系到n0系的转换矩阵，Gn为n系下的重力矢量，
Figure BDA0002465734050000034
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure BDA0002465734050000035
为t2接收时刻b系下的DVL速度，
Figure BDA0002465734050000036
为初始接收时刻b系下的DVL 速度，
Figure BDA0002465734050000037
为比力，以上参量均由SINS***提供。
所述的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，所述步骤S4具体包括以下过程：
采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：
S4.1构建K矩阵：
Figure BDA0002465734050000038
Figure BDA0002465734050000039
Figure BDA00024657340500000310
其中，K(t)为K矩阵，α为参考矢量，β为观测矢量，[×]为反对称阵；
S4.2离散化K矩阵：
Figure BDA00024657340500000311
其中，Kk为k时刻K矩阵，Kk-1为k-1时刻K矩阵，ΔK为K矩阵增量，α为参考矢量，β为观测矢量，Δt为DVL测量间隔；
S4.3 Kk矩阵的最小特征值即为初始姿态最优四元数
Figure BDA00024657340500000312
计算其对应的初始姿态矩阵：
Figure BDA00024657340500000313
其中，
Figure BDA00024657340500000314
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure BDA00024657340500000315
对应元值；
计算当前姿态矩阵：
Figure BDA00024657340500000316
其中，
Figure BDA00024657340500000317
为当前姿态矩阵，
Figure BDA00024657340500000318
为b0系到b系的转换矩阵，
Figure BDA00024657340500000319
为初始姿态矩阵，
Figure BDA00024657340500000320
为n系到n0系的转换矩阵。
有益效果：
本发明利用载体姿态变化信息补偿DVL测速误差并辅助SINS估算初始姿态，提高了粗对准的速度，精度与鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。
本发明提供的载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，实现原理如图1所示。其流程主要包括以下步骤：
步骤S1，将DVL测速信息转换为多普勒频移信息。具体包括以下过程：
若DVL输出测速信息，则将DVL输出的测速信息转换为多普勒频移信息：
Figure BDA0002465734050000041
Figure BDA0002465734050000042
[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率，A为转换矩阵，
Figure BDA0002465734050000043
为DVL测速信息，C为超声波波速，α为波束倾角；
若DVL直接输出多普勒频移信息，则直接使用DVL输出多普勒频移信息。
步骤S2，用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度。具体包括以下过程：
S2.1用SINS中陀螺输出角速度跟踪载体系b系在DVL信号发射t1时刻和信号接收t2 时刻间的变化情况，构建相应姿态变化矩阵：
Figure BDA0002465734050000044
其中，
Figure BDA0002465734050000045
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵导数，
Figure BDA0002465734050000046
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，初始值为单位阵I，
Figure BDA0002465734050000051
为陀螺角速度，[×]为反对称阵；
S2.2用SINS信息补偿并估计当前DVL测速信息：
Figure BDA0002465734050000052
其中，
Figure BDA0002465734050000053
为t2接收时刻b系下的DVL速度，C为超声波波速，I为单位阵，
Figure BDA0002465734050000054
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，A为转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率。
步骤S3，对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量和观测矢量。具体包括以下过程：
对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure BDA0002465734050000055
Figure BDA0002465734050000056
其中，
Figure BDA0002465734050000057
为n系到n0系的转换矩阵，Gn为n系下的重力矢量，
Figure BDA0002465734050000058
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure BDA0002465734050000059
为t2接收时刻b系下的DVL速度，
Figure BDA00024657340500000510
为初始接收时刻b系下的DVL 速度，
Figure BDA00024657340500000511
为比力，以上参量均由SINS***提供。
步骤S4，采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息。具体包括以下过程：
S4.1构建K矩阵：
Figure BDA00024657340500000512
Figure BDA00024657340500000513
Figure BDA00024657340500000514
其中，K(t)为K矩阵，α为参考矢量，β为观测矢量，[×]为反对称阵；
S4.2离散化K矩阵：
Figure BDA00024657340500000515
其中，Kk为k时刻K矩阵，Kk-1为k-1时刻K矩阵，ΔK为K矩阵增量，α为参考矢量，β为观测矢量，Δt为DVL测量间隔；
S4.3 Kk矩阵的最小特征值即为初始姿态最优四元数
Figure BDA0002465734050000061
计算其对应的初始姿态矩阵：
Figure BDA0002465734050000062
其中，
Figure BDA0002465734050000063
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure BDA0002465734050000064
对应元值；
计算当前姿态矩阵：
Figure BDA0002465734050000065
其中，
Figure BDA0002465734050000066
为当前姿态矩阵，
Figure BDA0002465734050000067
为b0系到b系的转换矩阵，
Figure BDA0002465734050000068
为初始姿态矩阵，
Figure BDA0002465734050000069
为n系到n0系的转换矩阵。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种载体姿态动态情况下的惯性/多普勒动基座粗对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将DVL测速信息转换为多普勒频移信息；
S2：用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度；
S3：对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量和观测矢量；
S4：采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息；
所述步骤S1具体包括以下过程：
若DVL输出测速信息，则将DVL输出的测速信息转换为多普勒频移信息：
Figure FDA0003636937930000011
Figure FDA0003636937930000012
[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率，A为转换矩阵，
Figure FDA0003636937930000013
为DVL测速信息，C为超声波波速，α为波束倾角；
若DVL直接输出多普勒频移信息，则直接使用DVL输出多普勒频移信息；
所述步骤S2具体包括以下过程：
用SINS更新的姿态变化信息补偿载体姿态动态情况下DVL测速误差，结合多普勒频移信息估计当前速度：
S2.1用SINS中陀螺输出角速度跟踪载体系b系在DVL信号发射t1时刻和信号接收t2时刻间的变化情况，构建相应姿态变化矩阵：
Figure FDA0003636937930000014
其中，
Figure FDA0003636937930000015
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵导数，
Figure FDA0003636937930000016
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，初始值为单位阵I，
Figure FDA0003636937930000017
为陀螺角速度，[×]为反对称阵；
S2.2用SINS信息补偿并估计当前DVL测速信息：
Figure FDA0003636937930000021
其中，
Figure FDA0003636937930000022
为t2接收时刻b系下的DVL速度，C为超声波波速，I为单位阵，
Figure FDA0003636937930000023
为t2时刻b系到t1时刻b系的转换矩阵，A为转换矩阵，[Δf1 Δf2 Δf3 Δf4]T为DVL四轴向频移信息，f0为DVL发射的超声波信号频率；
所述步骤S3具体包括以下过程：
对补偿后的DVL测速信息及SINS输出信息进行积分，构建参考矢量α和观测矢量β：
Figure FDA0003636937930000024
Figure FDA0003636937930000025
其中，
Figure FDA0003636937930000026
为n系到n0系的转换矩阵，Gn为n系下的重力矢量，
Figure FDA0003636937930000027
为b系到b0系的转换矩阵，
Figure FDA0003636937930000028
为t2接收时刻b系下的DVL速度，
Figure FDA0003636937930000029
为初始接收时刻b系下的DVL速度，
Figure FDA00036369379300000214
为比力，以上参量均由SINS***提供；
所述步骤S4具体包括以下过程：
采用最优基四元数法计算初始姿态矩阵，更新当前姿态信息：
S4.1构建K矩阵：
Figure FDA00036369379300000213
Figure FDA00036369379300000210
Figure FDA00036369379300000211
其中，K(t)为K矩阵，α为参考矢量，β为观测矢量，[×]为反对称阵；
S4.2离散化K矩阵：
Figure FDA00036369379300000212
其中，Kk为k时刻K矩阵，Kk-1为k-1时刻K矩阵，ΔK为K矩阵增量，α为参考矢量，β为观测矢量，Δt为DVL测量间隔；
S4.3Kk矩阵的最小特征值即为初始姿态最优四元数
Figure FDA0003636937930000031
计算其对应的初始姿态矩阵：
Figure FDA0003636937930000032
其中，
Figure FDA0003636937930000033
为初始姿态矩阵，q0，q1，q2，q3分别为
Figure FDA0003636937930000034
对应元值；
计算当前姿态矩阵：
Figure FDA0003636937930000035
其中，
Figure FDA0003636937930000036
为当前姿态矩阵，
Figure FDA0003636937930000037
为b0系到b系的转换矩阵，
Figure FDA0003636937930000038
为初始姿态矩阵，
Figure FDA0003636937930000039
为n系到n0系的转换矩阵。
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