CN111812737B - 水下导航与重力测量一体化*** - Google Patents

水下导航与重力测量一体化*** Download PDF

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Abstract

本发明公开水下导航与重力测量一体化***，包括3个激光陀螺仪、3个摆式挠性加速度计、3个重力传感器、转位与测角装置、温度传感器、温度控制箱、多普勒计程仪、深度计、2个计算机、数据采集处理平台、LCD显示和电路板。3个陀螺仪和3个加速度计放置在转位机构上，构成激光陀螺单轴旋转惯性测量单元；重力传感器放在温度控制箱中，与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元刚性固联。数据采集处理平台实时处理记录各传感器信号。2个计算机分别计算水下导航与重力测量一体化***的导航参数和当地重力值。本发明提供的水下导航与重力测量一体化***，能够满足水下运载体长航时、高精度、低成本的导航和重力测量需求。

Description

水下导航与重力测量一体化***
技术领域
本发明涉及水下导航与重力测量一体化***，属于组合导航和重力测量技术领域。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的油气矿产资源，探索和开发海洋对国民经济发展意义重大。油气矿 产资源的分布与海洋重力场密切相关，水下重力测量有助于发现它们。目前水下重力测量 的困难是现有的重力测量***难以保证水下长时间的准确定位和低成本的持续作业问题。 为了解决这些问题，本发明提供了水下导航与重力测量一体化***，它能够满足长航时、 高精度和低成本的水下导航和重力测量要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种水下导航与重力测量一体化***，能够 满足长航时、高精度和低成本的水下导航和重力测量要求。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水下导航与重力测量一体化***， 主要由3个激光陀螺仪、3个摆式挠性加速度计、3个重力传感器、转位与测角装置、温度传感器、温度控制装置、多普勒计程仪、深度计、2个计算机、数据采集处理平台、LCD 显示和电路板组成。
3个激光陀螺仪和3个摆式挠性加速度计放置在转位机构上，构成激光陀螺单轴旋转 惯性测量单元。
3个重力传感器放在温度控制箱中，与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元刚性地固定在 一起，且与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的加速度计具有相同的姿态角。
数据采集处理平台实时处理记录激光陀螺仪、加速度计、重力传感器、转位与测角装 置、温度传感器、多普勒计程仪、深度计信号。
1个计算机接收激光陀螺仪、高精度加速度计、多普勒计程仪、深度计、转位角度信息和温度信息，以多普勒计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下导航与重力测量一体化***的位置、速度和姿态。
1个计算机接收重力传感器信息、温度信息，水下导航与重力测量一体化***的位置、 速度和姿态信息，计算出当地地理坐标系下的重力传感器的比力，进行重力测量改正和低 通滤波处理，得到当地重力值。
作为本发明的一种改进，所述的数据采集处理平台与计算机采用FPGA+DSP+ARM架构。
有益效果：
本发明提供的水下导航与重力测量一体化***，能够满足水下运载体长航时、高精度、 低成本的导航和重力测量的需求。
附图说明
图1为本发明的惯性测量单元与重力传感器一体化装置结构示意图。
图2为本发明的数据采集处理平台与计算机示意图。
图3为本发明的水下组合导航***导航算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地说明。
如图1所示，本实施例公开了水下导航与重力测量一体化***，主要由惯性测量单元 与重力传感器一体化装置、多普勒计程仪、深度计、2个计算机、数据采集平台和LCD 显示组成。
惯性测量单元与重力传感器一体化装置包括防护壳体1、设置在防护壳体内的3个激 光陀螺仪8、3个摆式挠性加速度计9、3个重力传感器2、转位与测角装置4、温度传感 器7、温度控制装置5、电路板3，6。
三个90型二频机抖激光陀螺仪、三个高精度摆式挠性加速度计、转位与测角装置和 电路板等组成激光陀螺单轴旋转惯性测量单元，转位与测角装置4由力矩电机、驱动器、光电码盘测角仪、导电滑环和机械部件组成。
3个重力传感器放在温度控制箱中，与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元刚性地固定在 一起，且与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的加速度计具有相同的姿态角。温度控制箱由 温度控制板、热敏电阻、加热片组成。
数据采集处理平台与计算机采用FPGA+DSP+ARM架构，如图2所示，FPGA和ARM 负责数据采集和处理，DSP作为计算机负责导航与重力计算。
数据采集处理平台实时处理记录激光陀螺仪、加速度计、重力传感器、转位与测角装 置、温度传感器、多普勒计程仪、深度计信号。
计算机执行组合导航计算和重力实时数据处理任务，1个计算机接收激光陀螺仪、高 精度加速度计、多普勒计程仪、深度计、转位角度信息和温度信息，以多普勒计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下导航与重力测量一体化***的位置、速度和姿态，其算法流程如图 3所示。
水下组合导航***滤波状态方程为
Figure BDA0002543852100000031
其中，Xk是***状态向量，Φk+1/k是状态转移矩阵，Γk+1是***的噪声转换矩阵，WK是 噪声矩阵。状态向量为：
Figure BDA0002543852100000037
其中，
Figure BDA0002543852100000038
分别为捷联惯导数学平台的3个误差角，δVE，δVN，δVUP分别为东向、北向和天向速度误差，δL，δλ，δh分别为经度、纬度和高度误差，δGx，δGy和δGz分别为陀螺仪X，Y，Z轴的零位漂移，δAx，δAy，δAz分别为加速度计X，Y，Z轴的 零位偏置。W噪声矩阵由陀螺仪和加速度计的白噪声组成：
W＝[wgx,wgy,wgz,wax,way,waz]T (2)
状态转移矩阵：
Φk+1/k≈En+Fk·Δt (3)
其中，En是单位矩阵，Fk是组合***误差方程矩阵，F＝[fi,j],i,j＝1,…15，fi,j非零项为： f1,9＝nN；f1,13＝c11；f1,14＝c12；f1,15＝c13；f2,7＝-f1,8＝nh；f2,13＝c21；f2,14＝c22；f2,15＝c23； f3,8＝-f2,9＝nE；f3,13＝c31；f3,14＝c32；f3,15＝c33；
Figure BDA0002543852100000032
f6,3＝1； f7,9＝-f9,7＝-ωN,
Figure BDA0002543852100000033
f8,9＝-f9,8＝ωE,
Figure BDA0002543852100000034
Figure BDA0002543852100000035
f8,10＝c21；f8,11＝c22；f8,12＝c23；
Figure BDA0002543852100000036
f9,10＝c31,f9,11＝c32,f9,12＝c33；f7,10＝c11；f7,11＝c12；f7,12＝c13。
cij为姿态矩阵元素，U为地球旋转角速率，nE,nN,nh分别为东北天方向上的加速度计比 力。
水下组合导航***的观测方程为
Zk+1＝Hk+1Xk+1+Vk+1 (4)
其中Zk+1是观测向量，Hk+1是观测矩阵，Vk+1是观测噪声矩阵，具体如下：
Figure BDA0002543852100000041
其中，VE,I和VN,I分别是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***计算得到的东向和北向速度， VE,DVL和VN,BVL是多普勒计程仪输出的东向和北向，hI是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航 ***计算得到的深度，hD是深度计输出的深度。观测矩阵Hk+1＝[hi,j]i＝1,…5,j＝1,…13中 的非零项为：h1,1＝h2,2＝h3,3＝1，h1,8＝-VN，h2,8＝VE。
1个计算机接收重力传感器信息、温度信息，水下导航与重力测量一体化***的位置、 速度和姿态信息，计算出当地地理坐标系下的重力传感器的比力，对重力传感器比力进 行重力测量改正，如厄特弗斯改正，零点漂移改正、滞后效应改正等，对改正后的数据进行Fir低通滤波处理，得到当地重力值。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术，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 干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本 发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种水下导航与重力测量一体化***，其特征在于：包括3个激光陀螺仪、3个摆式挠性加速度计、3个重力传感器、转位与测角装置、温度传感器、温度控制箱、多普勒计程仪、深度计、2个计算机、数据采集处理平台、LCD显示和电路板；所述的3个激光陀螺仪和3个摆式挠性加速度计放置在转位机构上，构成激光陀螺单轴旋转惯性测量单元；所述的重力传感器放在温度控制箱中，与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元刚性地固定在一起，且与激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的加速度计具有相同的姿态角；所述的数据采集处理平台实时处理记录激光陀螺仪、加速度计、重力传感器、转位与测角装置、温度传感器、多普勒计程仪、深度计信号；所述的2个计算机中，其中1个计算机接收激光陀螺仪、摆式挠性加速度计加速度计、多普勒计程仪、深度计、转位角度信息和温度信息，以多普勒计程仪的速度信息和深度计的水深信息作为激光陀螺单轴旋转惯性测量单元的外观测量，应用扩展卡尔曼滤波，计算出水下导航与重力测量一体化***的位置、速度和姿态；
水下组合导航***滤波状态方程为
Figure FDA0002971420460000011
其中，Xk是***状态向量，Φk+1/k是状态转移矩阵，Γk+1是***的噪声转换矩阵，WK是噪声矩阵；状态向量为：
Figure FDA0002971420460000012
其中，
Figure FDA0002971420460000013
分别为捷联惯导数学平台的3个误差角，δVE，δVN，δVUP分别为东向、北向和天向速度误差，δL，δλ，δh分别为经度、纬度和高度误差，δGx，δGy和δGz分别为陀螺仪X，Y，Z轴的零位漂移，δAx，δAy，δAz分别为加速度计X，Y，Z轴的零位偏置；W噪声矩阵由陀螺仪和加速度计的白噪声组成：
W＝[wgx,wgy,wgz,wax,way,waz]T (2)
状态转移矩阵：
Φk+1/k≈En+Fk·Δt (3)其中，En是单位矩阵，Fk是组合***误差方程矩阵，F＝[fi,j],i,j＝1,…15，fi,j非零项为：
f1,9＝nN；f1,13＝c11；f1,14＝c12；f1,15＝c13；
f2,7＝-f1,8＝nh；f2,13＝c21；f2,14＝c22；f2,15＝c23；f3,8＝-f2,9＝nE；
f3,13＝c31；f3,14＝c32；f3,15＝c33；
Figure FDA0002971420460000021
f6,3＝1；f7,9＝-f9,7＝-ωN,
Figure FDA0002971420460000022
f8,9＝-f9,8＝ωE,
Figure FDA0002971420460000023
Figure FDA0002971420460000024
f8,11＝c22；f8,12＝c23；
Figure FDA0002971420460000025
f9,10＝c31,f9,11＝c32,f9,12＝c33；f7,10＝c11；f7,11＝c12；f7,12＝c13；
cij为姿态矩阵元素，U为地球旋转角速率，nE,nN,nh分别为东北天方向上的加速度计比力；
水下组合导航***的观测方程为
Zk+1＝Hk+1Xk+1+Vk+1 (4)
其中Zk+1是观测向量，Hk+1是观测矩阵，Vk+1是观测噪声矩阵，具体如下：
Figure FDA0002971420460000026
其中，VE,I和VN,I分别是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***计算得到的东向和北向速度，VE,DVL和VN,BVL是多普勒计程仪输出的东向和北向，hI是激光陀螺单轴旋转捷联惯性导航***计算得到的深度，hD是深度计输出的深度；观测矩阵Hk+1＝[hi,j]i＝1,…5,j＝1,…13中的非零项为：h1,1＝h2,2＝h3,3＝1，h1,8＝-VN，h2,8＝VE；
另1个计算机接收重力传感器信息、温度信息和水下导航与重力测量一体化***的位置、速度和姿态信息，计算出当地地理坐标系下的重力传感器的比力，进行重力测量改正和低通滤波处理，得到当地重力值。
2.根据权利要求1所述的水下导航与重力测量一体化***，其特征在于：所述的数据采集处理平台与计算机采用FPGA+DSP+ARM架构。
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