CN112987067B - 组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器 - Google Patents

组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器，所述一种组合导航的洋流速度估计方法，包括：建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。本发明所述的一种组合导航的洋流速度估计方法对于AUV工作在直线巡航状态下，也可完成对洋流速度的估计，且实时性高，本发明所述的洋流速度估计方法有利于提高导航精度，对于AUV在大深度海洋环境下的精准导航具有一定的实用价值。

Description

组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器。
背景技术
目前AUV水下导航多采用SINS/DVL组合导航形式，该模式下DVL有两种工作模式：探底模式(Bottom Tracking)和探水模式(Water Profiling),但是一般DVL的探底深度在百米量级，目前的SINS/DVL导航***中DVL的输出速度为相对速度，未能补偿洋流速度，造成大深度海洋环境中AUV导航精度非常低，有效估计出洋流并补偿，是提高AUV深海导航精度的关键。目前对于在深海环境下的估计洋流速度的方法主要有两种：第一种是将气象预报数据中的海流速度融合到SINS/DVL组合导航***中，第二种是采用高精度惯导，将洋流速度建模在SINS/DVL组合导航***中。
第一种估计洋流速度的方法一般需要从第三方机构购买，价格比较贵，一般在几万到几十万不等，并且数据存在较大延迟，一般延时在数小时到数天不等，这对于AUV的实时导航是不能接受的，数据精度差，一般分辨率在km量级，造成AUV的导航精度比较差；第二种估计洋流速度的方法理论上是可行的，但是经过实际水下导航验证的几乎没有，并且该方法需要考虑导航***的可观性，一般在转弯状态或者加减速状态下才能有效估计出洋流速度，但是AUV一般工作在直线巡航状态下，所以不具备普适性。现亟需提出一种可以在AUV直线巡航模式下估计出海流速度的方法，且要保证该方法具有较好的导航精度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种组合导航的洋流速度估计方法、装置和一种处理器。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种组合导航的洋流速度估计方法，所述组合导航为SINS/DVL/GPS组合导航，包括：
建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。
可选的，所述建立最优化函数，包括：
假设在i时刻，AUV在载体坐标系下的洋流速度为
Figure BDA0002949745000000021
DVL探水模式下得到的DVL速度为/>
Figure BDA0002949745000000022
DVL数据更新时间为/>
Figure BDA0002949745000000023
SINS姿态角表示为(θp,θr,θy)，(θp,θr,θy)分别表示俯仰角，滚转角和偏航角；
DVL坐标系和AUV坐标系重合，不存在转换关系，从运动学方面考虑，AUV在载体坐标系下的绝对速度满足以下公式：
Figure BDA0002949745000000024
将上式等号左右两边分别乘以
Figure BDA0002949745000000025
并转换到导航坐标系，则有如下公式：
Figure BDA0002949745000000026
其中，ENU代表东北天坐标系，AUV在东北天坐标系下解算出的位置和洋流速度呈线性关系，
Figure BDA0002949745000000031
Figure BDA0002949745000000032
Figure BDA0002949745000000038
时间T内，将GPS数据中的经纬度转换到东北天坐标系下的位置，表示为：
Figure BDA0002949745000000033
其中，i为i时刻，i时刻GPS的位置增量计算公式为：
Figure BDA0002949745000000034
最优化函数为：
Figure BDA0002949745000000035
其中，
Figure BDA0002949745000000036
由公式2得到。
进一步的，假设AUV在水面游动时间为T，并且满足
Figure BDA0002949745000000039
在时间T内AUV保持定航游，在选择进行洋流估计的水面航行路线时需要满意以下两个条件：
条件一：航向满足
Figure BDA0002949745000000037
其中，α为预设阈值，表示航向的直线度，
Figure BDA0002949745000000041
表示AUV方位角的最大值，/>
Figure BDA0002949745000000042
表示AUV方位角的最小值；
条件二：GPS信号的精度大于预设精度值，且GPS信号的动态偏差值小于预设偏差值。
进一步的，当AUV每次上浮到水面停留时间短，以致每次只能采集到一个GPS观测数据时，所述最优化函数为：
Figure BDA0002949745000000043
其中，
Figure BDA0002949745000000044
为i＝N时，GPS的位置增量，计算公式如下：
Figure BDA0002949745000000045
上式中的
Figure BDA0002949745000000046
为AUV每次上浮到水面采集到的唯一一个GPS数据。
可选的，所述求解所述最优化函数，包括：采用高斯牛顿方法求解所述最优化函数。
本发明还提供了一种组合导航的洋流速度估计装置，包括：
建模模块，用于建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
求解模块，用于求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。
本发明还提供了一种SINS/DVL/GPS组合导航***，包括：
如前面所述的一种组合导航的洋流速度估计装置。
本发明还提供了一种处理器，用于执行前面任一项所述的一种组合导航的洋流速度估计方法。
本发明采用以上技术方案，所述一种组合导航的洋流速度估计方法，所述组合导航为SINS/DVL/GPS组合导航，包括：建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。本发明所述的一种组合导航的洋流速度估计方法对于AUV工作在直线巡航状态下，也可完成对洋流速度的估计，且实时性高，本发明所述的洋流速度估计方法有利于提高导航精度，对于AUV在大深度海洋环境下的精准导航具有一定的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种组合导航的洋流速度估计方法提供的流程示意图；
图2是本发明一种组合导航的洋流速度估计装置提供的结构示意图。
图中：1、建模模块；2、求解模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明一种组合导航的洋流速度估计方法提供的流程示意图。
如图1所示，本发明所述的一种组合导航的洋流速度估计方法，所述组合导航为SINS/DVL/GPS组合导航，包括：
S11：建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
本发明所述的估计方法建立的假设如下：
假设在T时间内，洋流速度满足在各个方向上的大小是大致不变的，这是本模型构建的最为重要的假设。因为水下导航时没有GPS观测数据，无法实时估计洋流，为了保证实际的海洋环境满足这一假设，T在取值时不要过大。
进一步的，所述建立最优化函数，包括：
假设在i时刻，AUV在载体坐标系下的洋流速度为
Figure BDA0002949745000000061
DVL探水模式下得到的DVL速度为/>
Figure BDA0002949745000000062
DVL数据更新时间为/>
Figure BDA0002949745000000063
SINS姿态角表示为(θp,θr,θy)，(θp,θr,θy)分别表示俯仰角，滚转角和偏航角；
DVL坐标系和AUV坐标系重合，不存在转换关系，从运动学方面考虑，AUV在载体坐标系下的绝对速度满足以下公式：
Figure BDA0002949745000000064
将上式等号左右两边分别乘以
Figure BDA0002949745000000065
并转换到导航坐标系，则有如下公式：
Figure BDA0002949745000000066
其中，ENU代表东北天坐标系，AUV在东北天坐标系下解算出的位置和洋流速度呈线性关系，
Figure BDA0002949745000000067
Figure BDA0002949745000000068
Figure BDA0002949745000000071
时间T内，将GPS数据中的经纬度转换到东北天坐标系下的位置，表示为：
Figure BDA0002949745000000072
其中，i为i时刻，i时刻GPS的位置增量计算公式为：
Figure BDA0002949745000000073
最优化函数为：
Figure BDA0002949745000000074
其中，
Figure BDA0002949745000000075
由公式2得到。
进一步的，假设AUV在水面游动时间为T，并且满足
Figure BDA0002949745000000079
在时间T内AUV保持定航游，在选择进行洋流估计的水面航行路线时需要满意以下两个条件：
条件一：航向满足
Figure BDA0002949745000000076
其中，α为预设阈值，表示航向的直线度，
Figure BDA0002949745000000077
表示AUV方位角的最大值，/>
Figure BDA0002949745000000078
表示AUV方位角的最小值；考虑到实际不同方向上洋流速度是不一样的，对不同方向上的洋流做离散化处理，保证水下导航轨迹具有良好的线性度。
条件二：GPS信号的精度大于预设精度值，且GPS信号的动态偏差值小于预设偏差值。
具体的，可以通过计算GPS轨迹动态精度、水平精度因子、垂直精度因子、综合精度因子等因素进行综合评估。
在实际执行时，进行洋流速度估计过程需要AUV在水面定向游动一段时间，一般是几分钟，假设GPS的频率为1HZ，2分钟即可获取到120个点的SINS/DVL预测数据和GPS观测数据，其中，预测数据为SINS/DVL航位推算的输出位置，观测数据为GPS输出的位置。在满足上面提到的两个条件的前提下，获取到的120个点的SINS/DVL预测数据和GPS观测数据完全够用。
考虑到以下特殊情况，即假设AUV到水面只停留很短的时间，极端情况下每次上浮只有一个GPS观测数据，AUV就立即下潜。
在这种情况下，每次的GPS观测数据只有一个，但是下水下航行的SINS/DVL预测数据是很多的(与水下航行时间有关)，此时的所述最优化函数为：
Figure BDA0002949745000000081
其中，
Figure BDA0002949745000000082
为i＝N时，GPS的位置增量，计算公式如下：
Figure BDA0002949745000000083
上式中的
Figure BDA0002949745000000084
为AUV每次上浮到水面采集到的唯一一个GPS数据，即用估计轨迹和真实轨迹的最末端位置做洋流速度估计。
S12：求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。
进一步的，所述求解所述最优化函数，包括：采用高斯牛顿方法求解所述最优化函数。
采用本发明所述的洋流速度估计方法进行洋流速度估计，组合导航***再结合估计出的洋流速度进行导航定位，表1是试验结果，实际的水下导航试验证明，加入上述洋流速度估计方法相比没有进行洋流速度估计可以大幅提高导航精度。
Figure BDA0002949745000000091
表1
本发明所述的一种组合导航的洋流速度估计方法对于AUV工作在直线巡航状态下，也可完成对洋流速度的估计，且实时性高，本发明所述的洋流速度估计方法有利于提高导航精度，对于AUV在大深度海洋环境下的精准导航具有一定的实用价值。
图2是本发明一种组合导航的洋流速度估计装置提供的结构示意图。
如图2所示，本发明所述的一种组合导航的洋流速度估计装置，包括：
建模模块1，用于建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
求解模块2，用于求解所述最优化函数，以估计出洋流速度。
本发明所述一种组合导航的洋流速度估计装置的工作原理与上文所述的一种组合导航的洋流速度估计方法的工作原理相同，在此不再赘述。
本发明还提供了一种SINS/DVL/GPS组合导航***，包括：
如图2所述的一种组合导航的洋流速度估计装置。
此外，本发明还提供了一种处理器，用于执行图1所述的一种组合导航的洋流速度估计方法。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种组合导航的洋流速度估计方法，所述组合导航为SINS/DVL/GPS组合导航，其特征在于，包括：
建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
求解所述最优化函数，以估计出洋流速度；
其中，所述建立最优化函数，包括：
假设在i时刻，AUV在载体坐标系下的洋流速度为
Figure FDA0004239687460000011
DVL探水模式下得到的DVL速度为/>
Figure FDA0004239687460000012
DVL数据更新时间为/>
Figure FDA0004239687460000013
SINS姿态角表示为(θp,θr,θy)，(θp,θr,θy)分别表示俯仰角，滚转角和偏航角；
DVL坐标系和AUV坐标系重合，不存在转换关系，从运动学方面考虑，AUV在载体坐标系下的绝对速度满足以下公式：
Figure FDA0004239687460000014
将上式等号左右两边分别乘以
Figure FDA0004239687460000015
并转换到导航坐标系，则有如下公式：
Figure FDA0004239687460000016
其中，ENU代表东北天坐标系，AUV在东北天坐标系下解算出的位置和洋流速度呈线性关系，
Figure FDA0004239687460000017
Figure FDA0004239687460000021
Figure FDA0004239687460000022
时间T内，将GPS数据中的经纬度转换到东北天坐标系下的位置，表示为：
Figure FDA0004239687460000023
其中，i为i时刻，i时刻GPS的位置增量计算公式为：
Figure FDA0004239687460000024
最优化函数为：
Figure FDA0004239687460000025
其中，
Figure FDA0004239687460000026
由第i时刻的公式2得到；
其中，假设AUV在水面游动时间为T，并且满足
Figure FDA0004239687460000027
在时间T内AUV保持定航游，在选择进行洋流估计的水面航行路线时需要满意以下两个条件：
条件一：航向满足
Figure FDA0004239687460000028
其中，α为预设阈值，表示航向的直线度，
Figure FDA0004239687460000029
表示AUV方位角的最大值，/>
Figure FDA00042396874600000210
表示AUV方位角的最小值；
条件二：GPS信号的精度大于预设精度值，且GPS信号的动态偏差值小于预设偏差值；
其中，当AUV每次上浮到水面停留时间短，以致每次只能采集到一个GPS观测数据时，所述最优化函数为：
Figure FDA0004239687460000031
其中，
Figure FDA0004239687460000032
为i＝N时，GPS的位置增量，计算公式如下：
Figure FDA0004239687460000033
上式中的
Figure FDA0004239687460000034
为AUV每次上浮到水面采集到的唯一一个GPS数据。
2.根据权利要求1所述的洋流速度估计方法，其特征在于，所述求解所述最优化函数，包括：采用高斯牛顿方法求解所述最优化函数。
3.一种组合导航的洋流速度估计装置，其特征在于，执行如权利要求1所述的方法，所述装置包括：
建模模块，用于建立最优化函数；所述最优化函数的参数包括：洋流速度；
求解模块，用于求解所述最优化函数，以估计出洋流速度；
其中，所述建立最优化函数，包括：
假设在i时刻，AUV在载体坐标系下的洋流速度为
Figure FDA0004239687460000035
DVL探水模式下得到的DVL速度为/>
Figure FDA0004239687460000036
DVL数据更新时间为/>
Figure FDA0004239687460000037
SINS姿态角表示为(θp,θr,θy)，(θp,θr,θy)分别表示俯仰角，滚转角和偏航角；
DVL坐标系和AUV坐标系重合，不存在转换关系，从运动学方面考虑，AUV在载体坐标系下的绝对速度满足以下公式：
Figure FDA0004239687460000041
将上式等号左右两边分别乘以
Figure FDA0004239687460000042
并转换到导航坐标系，则有如下公式：
Figure FDA0004239687460000043
其中，ENU代表东北天坐标系，AUV在东北天坐标系下解算出的位置和洋流速度呈线性关系，
Figure FDA0004239687460000044
Figure FDA0004239687460000045
Figure FDA0004239687460000046
时间T内，将GPS数据中的经纬度转换到东北天坐标系下的位置，表示为：
Figure FDA0004239687460000047
其中，i为i时刻，i时刻GPS的位置增量计算公式为：
Figure FDA0004239687460000048
最优化函数为：
Figure FDA0004239687460000051
其中，
Figure FDA0004239687460000052
由第i时刻的公式2得到。
4.一种SINS/DVL/GPS组合导航***，其特征在于，包括：
如权利要求3所述的一种组合导航的洋流速度估计装置。
5.一种处理器，其特征在于，用于执行权利要求1至2任一项所述的一种组合导航的洋流速度估计方法。
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