[作者简介] 秦瑞,助理工程师.[收稿日期] 2005210220[文章编号] 100921300(2006)0620068205多普勒测速仪/捷联惯导组合导航技术研究秦 瑞1, 王顺伟2, 袁晓峰2, 季德成2(1.海军驻中国航天科工集团第三研究院军事代表室,北京 100074;2.北京自动化控制设备研究所,北京 100074)[摘 要] 提出了利用多普勒测速仪辅助捷联惯导系统动基座对准以及基于卡尔曼滤波的组合导航方案,并对该导航方案水上实验的结果进行了分析.实验结果表明,多普勒测速仪能够有效地抑制惯导误差随时间积累的缺点,提高了导航定位的精度.[关键词] 多普勒测速仪; 捷联惯导系统; 对准; 组合导航; 卡尔曼滤波[中图分类号] TJ765.2+2 [文献标识码] AStudy of I n tegra ted Nav i ga ti on of Strap 2down I nerti a lNav i ga ti on A i ded by D VLQ in Rui 1, W ang Shun wei 2, Yuan Xiaofeng 2, J i Decheng2(1.Naval Rep resentative Bureau I n The Third Research Acade my,C ASI C,Beijing 100074,China;2.The I nstitute of Aut omatic Contr ol Equi pment of Beijing,Beijing 100074,China )Abstract:A revising method is p r oposed,in which the vel ocity of Dopp ler vel ocity l og (DVL )is used t o aid the align ment of strap 2do wn inertial navigati on syste m with DVL and the integrated navigati on based Kal m an filter .The result of surface water experi m ent de monstrates that DVL can eli m inate the accu mula 2ted err ors of inertial navigati on syste m and i m p r ove navigati on accuracy .Keywords:Dopp ler vel ocity l og; strap 2down inertial navigati on syste m; align ment; integrated navi 2gati on; Kal m an filter1 引言惯性导航是完全自主导航设备,自主完成导航任务,与外界不发生任何光、电联系,自主性好,工作不受气象条件的限制.这一独特的优点,对航行器的使用非常重要.所以,惯性导航系统作为主要的传感器在舰船、飞机、宇宙航行器上得到了广泛的应用.但是,它的误差随时间积累,难以长时间准确提供导航信息.多普勒计程仪利用反射回声波的多普勒频移能够测量水面或者是水下航行器相对水底的绝对速度或者是水流的相对速度,具有一定的实时性和自主性.利用多普勒计程仪的速度误差不随时间积累的特性,与惯导系统构成组合导航系统,是提高导航系统精度的有效途径.尤其对于水下或水面航行体无法接受卫星导航信号的情况下进行组合导航,具有一定的工程应用价值.・86・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6):68～72图1 DVL 辅助对准原理框图图2 DVL 辅助惯导导航系统原理框图2 多普勒测速仪的工作原理多普勒测速仪(Dopp ler vel ocity l og,DVL )是利用波的多普勒效应以及测流原理制成的声学设备,能够用来测量水流速度与方向、航行体相对地面的绝对速度以及水的深度.2.1 多普勒效应以及测流原理多普勒效应是指当机械波或电磁波的发射源与接收点间沿两者连线方向存在相对速度时,接收频率与发射频率并不相同,这一频率差称为多普勒频移.多普勒频移与载体相对速度成正比,因此,根据发射频率和多普勒频移能得出这一相对速度.这是DVL 测水速和地速的基本原理.由于水存在流动性,测流的基本原理是:声学多普勒信号发生器向水中发射固定频率的超声波短脉冲,这些超声波短脉冲碰到水中的散射体(浮游生物、泥沙等)将发生散射.从散射体返回的信号在频率上有变化(频移).从每个波速上得到的回波信号可得到水流的东向、北向以及垂向速度分量.2.2 多普勒测速仪功能及工作原理多普勒测速仪是根据声波在水中的多普勒效应制造的一种精密测速仪器.它采用三个独立的活塞型换能器产生三个向下与铅垂线成一定角度的笔形波速测量出航行体的三维速度.根据测流原理能够得到航行体相对水流的速度,该功能叫做水跟踪.同理,利用多普勒效应能够测量其相对水底的速度,叫做底跟踪.值得注意的是,底跟踪的速度不同于水层测量,因为其发射的波束必须完整地到达水底,所以DVL 要根据其对水深的初略估计自动调节发射的脉冲长度,并且当水深超过30m 时,一般不再适宜使用底跟踪.水跟踪测量的速度是底跟踪测量的速度加真实的水流速.在使用过程中,由于DVL 存在安装误差,所以在使用之前必须利用其他导航系统对其进行校准,测量出安装误差角,以便在运行时把DVL 测量出的速度转化到载体坐标系上.3 D V L 辅助惯导组合导航技术原理3.1 D V L 辅助惯导动基座对准原理多普勒计程仪有测速精度高的优点,所以可以用它测出的速度信息进行辅助动基座对准.首先,惯导系统利用地球自转角速率和重力加速度进行自主式粗对准.然后把DVL 测量的速度与惯导的速度匹配,利用卡尔曼滤波器对状态进行估计,并根据状态估计值对惯导系统进行修正,完成惯导系统的初始对准.其原理框图如图1所示.3.2 D V L 与惯导组合导航原理通过卡尔曼滤波器进行信息融合,并利用其输出的参数误差估计值直接校正系统输出的导航参数,能够将惯性导航系统和多普勒测速仪进行组合,构成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下组合导航系统.在校正方式的选择上,采取输出校正与反馈校正相结合的办法.估计过程中首先采用输出校正,等滤波器稳定(即估计误差稳定)后进行反馈校正,并以校正后的导航参数作为导航参数输出.如果只采用输出校正,由于惯导系统导航误差随时间积累,误差越来越大,与状态方程线性化相矛盾,可能导致滤波发散.而反馈校正是将估计的状态引入系统内部进行校正,由于卡尔曼滤波存在动态收敛・96・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)过程,在过渡过程中估计精度不高,用不精确的估计值进行反馈校正效果不好,可能引起系统振荡.图2是组合导航系统的原理框图.3.2.1 D V L 测量模型用DVL 测速是基于声速的传播,声速在水中传播要受到水密度等诸多因素的影响,所以必须建立测速仪的测量模型.精确的声速测量模型需要精确的水温、水压和盐度等信息.由于盐度受水表面的蒸发、降雨量、水深度等的影响,所以某个区域的水流断面特性还和气候密切相关.在组合导航的过程中,需合理地选用DVL 的工作模式.在水深大于30m 的时候由于声速在水中传播受到衰减,测速精度受到很大影响,一般使用水跟踪模式.而在水较浅的时候,由于水流受风浪的影响,作为散射源的水流流动方向不一致,而且还存在着水流速误差,从而产生较大的测速误差.所以,在建立DVL 测速模型时,要充分考虑到诸多影响因素,并根据不同的环境选用不同的工作模式.3.2.2 系统状态方程与量测方程惯导系统的误差方程在不同坐标系下不尽相同,在本文研究中,采用的是北天东地理坐标系.取状态向量为X =(φN ,φU ,φE ,ΔV N ,ΔV E ,Δλ,ΔL,εx ,εy ,εz ,δV d ,δΔ,δC )T.其中,φN ,φU 和φE 为姿态失准角;ΔV N 和ΔV E 为北向、东向速度误差;Δλ和ΔL 为经度、纬度误差;εx ,εy 和εz 为纵向、垂向和侧向陀螺的漂移;δV d 为速度偏移误差;δΔ为偏流角误差;δC 为刻度系数误差.系统状态方程如下:φ・N=-V N RφU -(ωie sin L +V E Rtan L )φE+ΔV ER-ωie sin L ΔL +C nb (1,1)εx +C nb (1,2)εy +C nb (1,3)εz .φ・U=V N RφN +(ωie cos L +V E R)φE ++ΔV ERtan L +(ωie co s L +V E Rsec 2L )ΔL +C n b (2,1)εx +C n b (2,2)εy +C nb (2,3)εz .φ・E =(ωie sin L +V E Rtan L )φN -(ωie cos L +V ER )φU +ΔV N R+C nb (3,1)εx +C nb (3,2)εy +C nb (3,3)εz .ΔV ・N =f E ・φu -f U ・φE -2(ωie sin L +V E Rtan L )ΔV E -(2ωie V E co s L +V E V NRsec 2L )ΔL + N .ΔV ・N =f U ・φE -f N ・φU +(2ωie sin L +V E Rtan L )ΔV N +V ER tan L ΔV E +(2ωie V N co s L +V E V NRsec 2L )ΔL + E .Δλ・=ΔV ERsec L +V ER sec L tan L ΔL.ΔL ・=ΔV NR .ε・x =-1T g εx +ωx .ε・y =-1T g εy +ωy .ε・z =-1T gεz +ωx .其中,f N ,f U 和f E 分别为三个加速度计测得的比力在导航坐标系上的分量;V N ,V E ,L 和λ为惯导系统导航参数输出; N 和 E 为加速度计随机噪声,服从零均值正态分布.根据多普勒计程仪工作原理,它测量载体相对海底的速度和偏流角,测量误差主要有速度偏移误差δV d ,偏流角误差δΔ,刻度系数误差δC.δV d 和δΔ用一阶马尔可夫过程表示,δC 为随机常数.相应误差状态方程为δV d =-1T gδV d +w d ,δΔ=-1T gδΔ+w Δ,δC =0.(1)其中,w d 和w Δ为激励白噪声.取SI N S 解算速度和DVL 测量速度之差作为观・07・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)图4 纯惯导导航纬度误差测量,得系统观测向量为Z k=δV N -δV dNδV E -δV dE.(2)3.2.3 卡尔曼滤波器上述的状态方程和观测方程可以表示成:X ・=A (t )X +G W.Z k =H k X k +V k .(3)式中,量测噪声为v =[v kN v kE ],系统观测矩阵H 为H =00-V N 1000000-sin k d -V N -V E00 V E 0100000-cos k d V E -V N.其中,k d 表示考虑偏流角的航迹方向.系统的状态方程是连续线性的,观测方程是离散线性的.将状态方程离散化为X k =<k,k -1X k -1+Γk,k -1W k -1,Z k =H k X k +V k .(4)式中,<k,k -1为状态转移矩阵,Γk,k -1为模型噪声转移矩阵,W k 为模型噪声,H k 为观测矩阵,V k 为观测噪声.离散卡尔曼滤波方程如下:状态一步预测:X ^k /k -1=<k,k -1X ^k -1.(5) 状态估计:X ^k =X ^k /k -1+K k (Z k -H k X ^k /k -1).(6) 滤波增益:K k =P k /k -1H Tk (H k P k /k -1H Tk +R k )-1.(7) 一步预测均方误差:P k /k -1=<k,k -1P k -1<k,k -1T +Q k -1.(8) 估计均方误差:P k =(I -K k H k )P k /k -1(I -K k H k )T+K k R k K Tk .(9)4 实验验证为了检验上述组合导航系统方案的可行性,在某地进行了摸底实验.利用GPS 的速度和位置作为测量基准,分别进行了以下三种实验:(1)DVL测速实验,测试测速效果;(2)DVL 辅助惯导系统对准实验并测试了纯惯导导航精度,以检验DVL 辅助惯导水上动基座对准的效果;(3)DVL 辅助惯导系统对准及组合导航实验,测试了组合导航精度,以检验惯导/DVL 组合导航的效果.4.1 D V L 测速实验取水上实验的一组测速数据分析,误差曲线如图3所示.从图中可以看出,DVL 测速精度较高,为与惯导系统组合提供了基准条件.多普勒测速仪在通电开始阶段,测速误差较大,这和DVL 的安装失准角相关.经过校准后,其测速精度明显得到了提高.图3 DVL 测速误差4.2 D V L 辅助惯导系统水上动基座对准及纯惯导导航实验利用DVL 提供的测速信息辅助惯导系统进行了对准实验,实现了水上动基座对准,对准后惯导系统在纯惯性工作状态下工作.导航1h 的经纬度(位置)误差曲线见图4和图5,导航综合误差达到1.6n m ,表明水上动基座对准效果良好.・17・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)图5 纯惯导导航经度误差图6 DVL 与惯导组合导航纬度误差图7 DVL 与惯导组合导航经度误差4.3 D V L 与惯导组合导航实验精度测试惯导系统对准后,导航1h,纯惯导误差已经达到3470.5m ,而用DVL 辅助惯导进行组合导航,导航误差只有几米,见图6和图7,实验数据见表1.多普勒测速仪与惯导系统组合,惯导误差随时间发散的问题得到了很好的抑制.表1 纯惯导与组合导航定位误差统计结果t /m in0102030405060纯惯导导航纬度误差/m 31510924347018503090组合导航纬度误差/m 252-21-8-3纯惯导导航经度误差/m -12-57-179-354-1057-1308-1580组合导航纬度误差/m-1-4-2-9-5-6-15 结 论利用DVL 辅助惯导系统的技术方案可以实现水上动基座对准及组合导航,可以有效地克服惯导导航误差随时间发散的缺点,提高了导航系统的精度.[参 考 文 献][1] M ikael B liksted Larsen .H igh Perfor mance Dopp ler 2I ner 2tial Navigati on Experi m ent Result [C ].I EEE,2000.[2] Steve Beiter,B ill San Fili po .Precisi on Hybird Navigati onSyste m f or Varied M arine App licati ons[C ].I EEE,1998.[3] 曹洁,刘繁明.AUV 中SI N S/DVL 组合导航技术研究[J ].中国航海,2004,(2).[4] 秦永元,等著.卡尔曼滤波与组合导航原理[M ].西安:西北工业大学出版社,1998.・27・战术导弹技术 TacticalM issile Technol ogy Nove mber,2006,(6)。
