[发明专利]一种水下快速动基座对准方法及装置

说明书

本发明涉及一种水下快速动基座对准方法及装置，属于水下导航定位领域。其中方法包括以下步骤：1)获取载体初始时刻的经度和纬度，载体上惯性导航系统输出的比力和角速度信息，以及多普勒测速仪输出的速度观测值；2)在每个惯性导航更新周期内，更新3)在每个多普勒测速仪的更新周期内，更新并建立系统方程和观测方程，利用非线性滤波算法计算4)计算当前的姿态矩阵并输出当前的姿态角信息；5)重复步骤2)‑4)，直至满足初始对准结束条件。本发明建立了非线性模型，可利用非线性滤波算法求得姿态矩阵，实现初始对准；不同于传统的两阶段对准，可以在不进行粗对准的条件下完成初始对准，提高了初始对准的快速性。

技术领域

本发明涉及一种水下快速动基座对准方法及装置，属于水下导航定位领域。

背景技术

水下航行器是探索海洋的重要手段，其在开发利用海洋中的作用绝不亚于火箭和航天飞机在探索宇宙空间中的作用。而水下导航是水下航行器应用的最大制约因素。目前，可以用于水下导航的设备仍然十分有限。惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是以牛顿第二定律(惯性定律)为基础，利用陀螺仪和加速度计测量载体角运动和线运动，计算载体位置、速度和姿态的技术。它是水下自主导航的一个重要手段。然而，由于惯性传感器固有的漂移误差，惯性导航系统虽然能够在短时间内有很高的定位精度，但是导航误差会随着时间积累。为此，需要辅助传感器来抑制导航误差。惯性导航系统与声学多普勒(Doppler Velocity Log,DVL)组合导航是是实现水下自主导航的主要方式。

INS/DVL组合导航系统在开始导航任务之前，需要完成初始对准。初始对准的首要任务是确定初始时刻的姿态矩阵。初始对准的精度对后续的导航精度有着重要影响。然而多普勒仅能提供相对于自身载体系下的速度观测，且水下导航信息源少、环境复杂，如何实现惯性导航系统的快速动基座对准、且完成无位置观测条件下的位置更新仍然面临严峻挑战。

目前水下常用的初始对准方法一般由两个阶段组成：粗对准和精对准。即：首先通过粗对准获得一个粗略的姿态，再通过精对准获得精确的姿态。这种两阶段对准的方式，粗对准和精对准各占用一段对准时间，且两个对准阶段都需要一定的时间收敛。为此，该方式耗时较长，不适合快速对准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下快速动基座对准方法及装置，以解决现有初始对准方法耗时较长的问题。

为实现上述目的，本发明提出一种水下快速动基座对准方法，包括以下步骤：

1)获取载体初始时刻的经度和纬度，载体上惯性导航系统输出的比力和角速度信息，以及多普勒测速仪输出的速度观测值；

2)在每个惯性导航更新周期内，根据惯性导航系统输出的角速度信息更新并根据多普勒输出的速度观测值更新其中，多普勒测速仪的更新周期长于惯性导航系统的更新周期，在每个多普勒测速仪更新周期内，载体的速度为恒定值；为载体坐标系b到惯性凝固坐标系的方向余弦矩阵，为初始时刻导航坐标系n₀到导航坐标系n的转换矩阵；

3)在每个多普勒测速仪的更新周期内，根据初始时刻的经度、纬度和时间信息更新并建立系统方程和观测方程，利用非线性滤波算法计算为惯性凝固坐标系到初始时刻导航坐标系n₀的转换矩阵，为惯性凝固载体坐标系到惯性凝固导航坐标系的方向余弦矩阵；

所述系统方程为：其中，x＝[α β γ]^T，α为方位角误差，β为俯仰角误差，γ为横滚角误差；