一种多普勒测速仪多参数在线标定方法
阅读说明：本技术 一种多普勒测速仪多参数在线标定方法 (Multi-parameter online calibration method for Doppler velocimeter ) 是由 侯斌 年海涛 王彬 杨超平 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多普勒测速仪多参数在线标定方法,其特征在于：所述标定方法的步骤为：1)系统准备；2)算法计算。本发明设计可降低传统多普勒测速标定方案对航行轨迹和参考信息精度、标定时间等苛刻要求,同时可以多标定出两个安装角误差,并可以实现在线标定；提高了多普勒标定技术的精度和应用范围,同时可以提高水下导航定位精度。(The invention relates to a multi-parameter online calibration method of a Doppler velocimeter, which is characterized by comprising the following steps: the calibration method comprises the following steps: 1) preparing a system; 2) and (4) calculating an algorithm. The design of the invention can reduce the rigorous requirements of the traditional Doppler speed measurement calibration scheme on navigation track and reference information precision, calibration time and the like, can calibrate more errors of two installation angles, and can realize online calibration; the accuracy and the application range of the Doppler calibration technology are improved, and meanwhile, the underwater navigation positioning accuracy can be improved.)
技术领域
本发明属于水下惯导定位定向技术领域，涉及利用惯性导航和卫星导航对多普勒多个参数进行在线标定，特别涉及一种多普勒测速仪多参数在线标定方法。
背景技术
在UAV等水下无人机使用环境中，基于体积、功耗和成本以及使用环境的限制的原因，其导航系统一般采用的中、低精度惯性导航设备和GNSS辅助定位，并且在水下无人机完成初始对准等一系列准备工作后，一般会处于长期水下潜行状态，此时GNSS系统不可用，而中、低精度惯导其定位误差会随着时间呈指数增长，为了保证水下定位精度，需要借助多普勒测速装置或者长短基线辅助定位。在多普勒实际使用过程中，其输出的测速信息与惯性导航系统输出并不在一个坐标系上，并且多普勒测速精度受洋流、温度以及安装方式等影响。因此要实施多普勒/惯导系统组合定位前，需要事先标定出多普勒和惯导系统之间的安装角以及多普勒自身的标度因数。
本发明利用惯性系统和GNSS导航，结合多普勒速度信息，通过组合导航算法，能准确的标定出多普勒的三个安装角以及标度因数，与传统多普勒两点标定或者匀速直航标定方案相比，降低了标定过程对船航行距离和航行轨迹以及参考位置的苛刻要求，特别在水下无人机应用领域，能利用无人机短时间上浮的间隙，实现多普勒参数在线标定与修正，并且能标度出多普勒的另外两个安装角误差，能提高组合导航的定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多普勒测速仪多参数在线标定方法，解决原有多普勒标定方案对外参考和航行轨迹要求苛刻以及标定的参数有限和精度不高的问题。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种多普勒测速仪多参数在线标定方法，其特征在于：所述标定方法的步骤为：
1)系统准备：将惯性导航设备完成初始对准后，接上GNSS外参考数据及多普勒测速设备，舰船根据预先设计标定方案轨迹航行，利用数据存储装置同时存储经过惯性导航设备分解的多普勒东北天的速度信息，同时录取GNSS输出的东北天信息，经过GNSS空间/时间，保证两者录取的数据反映的是同一时刻的速度；
2)算法计算：然后待舰船完成标定路径的航行后，利用算法计算多普勒的标定参数；同时也可以采用在线标定方式，将标定算法嵌入到惯导系统解算计算机中，在舰船航行中实时标定，有利于在多普勒使用环境发生明显变化时，利用水下设备上浮间隙进行多普勒参数重新实时标校。
而且，所述步骤2)中算法包括：
a、多普勒误差建模
设多普勒和惯导之间的安装角为小角度，根据小角度近似原理，安装角矩阵为
其中αx,αy,αz分别为多普勒和惯导坐标系的俯仰方向、横滚方向和方位方向的安装夹角；
多普勒测量的速度通过惯导姿态矩阵分解可以转换成导航坐标系下的东北天速度：
其中：vdopR、vdopL分别为多普勒测速输出的侧向和前向速度；
R、P、H分别为惯性导航系统输出的横滚角、俯仰角、航向角；
b、惯导/多普勒/GNSS标定滤波算法
(1)Kalman滤波一步预测
分为状态转移阵Φk,k-1的计算，输入噪声方差阵
i、状态转移阵Φk,k-1的计算
记(tk-1,tk]为一个预测周期，h＝tk－tk-1，预测周期h一般较短，状态转移阵计算如下
ii、输入噪声方差阵
连续系统的系统噪声即三个陀螺和三个加速度计向量W(t)的协方差阵为Q(t)，则输入噪声的方差阵为
Qq＝G(t)Q(t)GT(t)
其中，Q(t)为常量，G(t)为噪声输入矩阵，重写如下：
Q＝diag[(0.01°/h)2 (0.01°/h)2 (0.01°/h)2 (0.1m/s)2]
得到连续系统元件的噪声方差Qq后计算Kalman离散化形式
iii、K时刻的状态预测
初始时刻当k＝0时，
P0＝diag[(100°)2 (100°)2 (100°)2 (1m/s)2]
k＝0，1，2，…时，递推计算
当未到滤波更新周期时，进行预测更新
Pk＝Pk,k-1
当滤波更新周期到时，
(2)Kalman滤波更新
滤波更新周期等于外参考信息更新周期，这里GNSS有效信息更新频率为1Hz,因此滤波更新周期设为1s，分为四步计算：
i、量测计算
按下式计算量测值：
下标s表示多普勒和速度经过捷联惯导系统姿态矩阵分解解算输出的东北天速度，即
其中：vdopR、vdopL为多普勒测速输出的侧向和前向速度；
下标r表示参考基准GNSS输出的东北天速度；
vsE、vsN、vsU为多普勒测速输出的东向速度、北向速度、垂向速度，单位：m/s；
vrE、vrN、vrU为GNSS输出的参考速度，单位：m/s；
ii、滤波增益计算
按下式计算滤波增益Kk：
其中：Pk,k-1为误差方差预测计算得；
Rk＝diag[(0.3m/s)2 (0.3m/s)2 (0.3m/s)2]。
iii、状态估计更新
按下式计算状态估计
其中，
iv、误差方差更新
按下式计算误差方差Pk：
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的多普勒测速仪多参数在线标定方法，可降低传统多普勒测速标定方案对航行轨迹和参考信息精度、标定时间等苛刻要求，同时可以多标定出两个安装角误差，并可以实现在线标定。提高了多普勒标定技术的精度和应用范围，同时可以提高水下导航定位精度。
附图说明
图1为本发明的多普勒测速仪多参数在线标定方法基本原理图；
图2为本发明的多普勒测速仪多参数在线标定方法算法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
以三轴陀螺仪和三轴加速度计组成捷联惯性导航系统，进行惯导解算，输出姿态信息用以分解多普勒的测速信息；建立多普勒输出误差数学模型，利用GNSS测速信息，使用卡尔曼滤波方法估计多普勒和惯导之间的安装误差和标定标度因数，为了缩短标定时间，舰船航行轨迹可以采用“回”字型或者“台阶”型机动，这样在短时间内就可以标定出多普勒标定系数，其基本原理如图1所示；具体算法如图2所示。
一种多普勒测速仪多参数在线标定方法，其特征在于：所述标定方法的步骤为：
1)系统准备：将惯性导航设备完成初始对准后，接上GNSS外参考数据及多普勒测速设备，舰船根据预先设计标定方案轨迹航行，利用数据存储装置同时存储经过惯性导航设备分解的多普勒东北天的速度信息，同时录取GNSS输出的东北天信息，经过GNSS空间/时间，保证两者录取的数据反映的是同一时刻的速度；
2)算法计算：然后待舰船完成标定路径的航行后，利用算法计算多普勒的标定参数；同时也可以采用在线标定方式，将标定算法嵌入到惯导系统解算计算机中，在舰船航行中实时标定，有利于在多普勒使用环境发生明显变化时，利用水下设备上浮间隙进行多普勒参数重新实时标校。
而且，所述步骤2)中算法包括：
a、多普勒误差建模
设多普勒和惯导之间的安装角为小角度，根据小角度近似原理，安装角矩阵为
其中αx,αy,αz分别为多普勒和惯导坐标系的俯仰方向、横滚方向和方位方向的安装夹角；
多普勒测量的速度通过惯导姿态矩阵分解可以转换成导航坐标系下的东北天速度：
其中：vdopR、vdopL分别为多普勒测速输出的侧向和前向速度；
R、P、H分别为惯性导航系统输出的横滚角、俯仰角、航向角；
为多普勒在导航坐标系东北天方向上的投影；
b、惯导/多普勒/GNSS标定滤波算法
(1)Kalman滤波一步预测
分为状态转移阵Φk,k-1的计算，输入噪声方差阵
i、状态转移阵Φk,k-1的计算
记(tk-1,tk]为一个预测周期，h＝tk－tk-1，预测周期h一般较短，状态转移阵计算如下
ii、输入噪声方差阵
连续系统的系统噪声即三个陀螺和三个加速度计向量W(t)的协方差阵为Q(t)，则输入噪声的方差阵为
Qq＝G(t)Q(t)GT(t)
其中，Q(t)为常量，G(t)为噪声输入矩阵，重写如下：
Q＝diag[(0.01°/h)2 (0.01°/h)2 (0.01°/h)2 (0.1m/s)2]
得到连续系统元件的噪声方差Qq后计算Kalman离散化形式
iii、K时刻的状态预测
初始时刻当k＝0时，
P0＝diag[(100°)2 (100°)2 (100°)2 (1m/s)2]
k＝0，1，2，…时，递推计算
当未到滤波更新周期时，进行预测更新
Pk＝Pk,k-1
当滤波更新周期到时，
(2)Kalman滤波更新
滤波更新周期等于外参考信息更新周期，这里GNSS有效信息更新频率为1Hz,因此滤波更新周期设为1s，分为四步计算：
i、量测计算
按下式计算量测值：
下标s表示多普勒和速度经过捷联惯导系统姿态矩阵分解解算输出的东北天速度，即
其中：vdopR、vdopL为多普勒测速输出的侧向和前向速度；
下标r表示参考基准GNSS输出的东北天速度；
vsE、vsN、vsU为多普勒测速输出的东向速度、北向速度、垂向速度，单位：m/s；
vrE、vrN、vrU为GNSS输出的参考速度，单位：m/s；
ii、滤波增益计算
按下式计算滤波增益Kk：
其中：Pk,k-1为误差方差预测计算得；
Rk＝diag[(0.3m/s)2 (0.3m/s)2 (0.3m/s)2]。
iii、状态估计更新
按下式计算状态估计
其中，为状态预测计算得；
iv、误差方差更新
按下式计算误差方差Pk：
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。