一种水下滑翔器导航定位系统及上浮精度校正方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109253726A(43)申请公布日2019.01.22(21)申请号201810647904.1(22)申请日2018.06.22(71)申请人东南大学地址211189江苏省南京市江宁区东南大学路2号(72)发明人陈熙源王俊玮杨萍方琳(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人孟红梅(51)Int.Cl.G01C21/16(2006.01)G01C21/20(2006.01)G01S19/48(2010.01)G01S19/49(2010.01)权利要求书3页说明书7页附图2页(54)发明名称一种水下滑翔器导航定位系统及上浮精度校正方法(57)摘要本发明公开了一种水下滑翔器导航定位系统及上浮精度校正方法，该水下滑翔器导航定位系统包括微机电系统惯性测量单元，全球卫星定位系统接收模块，三轴磁力计，多普勒测速仪以及组合导航硬件处理系统。针对上浮精度校正过程中，会受到外界恶劣天气、海浪波动、船舰遮挡等因素的影响，使得多传感器数据融合算法的导航精度降低，定位发散甚至失效的问题，本发明建立的一种基于多重自适应渐消因子的H∞卡尔曼滤波算法来保证滑翔器导航定位的鲁棒性和自适应性。克服了极端恶劣条件下的水下滑翔器在上浮校正时，传统组合导航算法所导致的导航定位精度降低、发散以至于滑翔器无法继续正常工作的问题。最终实现水下滑翔器的准确定位。CN109253726ACN109253726A权利要求书1/3页1.一种水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，包括微机电系统惯性测量单元MEMS-IMU，全球卫星定位系统接收模块GPS，三轴磁力计，多普勒测速仪DVL以及组合导航硬件处理系统；所述MEMS-IMU集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，输出的三轴加速度和角速率信息通过惯性导航算法得到水下滑翔器的姿态、速度和位置导航信息；所述三轴磁力计用于校正滑翔器的航向信息，所述多普勒测速仪用于判断水下滑翔器的运动状态；所述GPS用于滑翔器上浮校正操作中，与MEMS-IMU组成GPS/INS位置速度校正的松组合导航系统，利用组合导航滤波器算法，校正滑翔器的速度、位置误差；所述组合导航硬件处理系统用于三轴磁力计、GPS、MEMS-IMU以及DVL信号的接收处理与时钟同步工作，以及组合导航多传感器信息的算法解算工作。2.根据权利要求1所述的水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，所述水下滑翔器导航定位系统具有两种运行状态：水下工作状态和上浮校正状态；若导航定位误差过大，则滑翔器停止实时工作，由水下工作状态切换为上浮校正状态；当GPS/INS组合导航系统的速度、位置误差小于设定阈值时，则滑翔器由上浮校正状态切换为水下工作状态，继续工作。3.根据权利要求1所述的水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，水下工作利用MEMS-IMU和三轴磁力计输出的信号，采用基于互补滤波的四元数算法完成滑翔器的导航定位。4.根据权利要求1所述的水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，上浮校正利用GPS和MEMS-IMU输出的信号，采用GPS/INS位置速度校正的松组合导航系统，完成滑翔器的导航定位；其中组合导航滤波器算法采用基于多重自适应渐消因子的H∞卡尔曼滤波算法；所述滤波算法的状态预测协方差阵H∞滤波增益阵H∞滤波状态最优协方差阵式中k和k-1分别表示当前时刻和前一时刻，Φk|k-1为状态转移矩阵，Hk为观测矩阵，Qk-1为系统噪声协方差，Sk为多重自适应渐消因子阵，Lk为对系统状态量的线性组合的估计，I为单位阵，γ为自适应阈值。5.根据权利要求4所述的水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，所述多重自适应渐消因子阵Sk＝diag(s1,s2,s3...,sn)由下式计算：式中，λi为观测阵Hk第i个观测元素，jii(k)为矩阵的第i个对角线元素,εi为卡方检测的阈值，υi(k)为新息阵Vk第i个观测元素，bii(k)为矩阵2CN109253726A权利要求书2/3页的第i个对角线元素。6.根据权利要求5所述的水下滑翔器导航定位系统，其特征在于，所述自适应阈值γ＝η·γa；其中，Trace()表示矩阵求迹运算，ρ()表示矩阵的谱半径。7.一种用于水下滑翔器导航定位系统的上浮精度校正方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)判断水下滑翔器是否需要进行上浮精度校正操作，当航向变化过大、速度变化过大，或人为判定滑翔器导航定位误差过大时，滑翔器上浮将至水面，进行精度校正操作；(2)滑翔器上浮至水面后，接收GPS的经纬度、高度、三轴速度信号，IMU的三轴加速度，三轴角速率信号，将基于多重自适应渐消因子的H∞卡尔曼滤波算法应用于GPS/INS位置速度校正的松组合导航系统，完成数据融合；(3)通过步骤(2)使得组合导航系统