用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统
阅读：838发布：2020-07-03
专利汇可以提供用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于 水 下载体的地磁辅助惯性 导航系统 ，属于惯性导航技术领域。它解决了水下载体的惯性导航系统随运行时间存在累积误差的问题。本实用新型包括地磁惯性导航主系统，该地磁惯性导航主系统包括 陀螺仪 、 加速 度计 和 姿态 控制器 ，它还包括辅助校正单元，辅助校正单元由陀螺信息处理单元、 角 度敏感器信息处理单元、姿态预估计单元和姿态估计器组成。本实用新型用于对水下载体的惯性导航系统进行姿态修正和 位置 修正。，下面是用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统专利的具体信息内容。
1.一种用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，它包括地磁惯性导航主系统，该地磁惯性导航主系统包括陀螺仪(1-1)、加速度计(1-2)和姿态控制器(1-3)，其特征在于：它还包括辅助校正单元(2)，辅助校正单元(2)由陀螺信息处理单元(2-1)、角度敏感器信息处理单元(2-2)、姿态预估计单元(2-3)和姿态估计器(2-4)组成，
陀螺仪(1-1)的检测信号输出端连接陀螺信息处理单元(2-1)的陀螺仪检测信号输入端，
加速度计(1-2)的检测信号输出端连接角度敏感器信息处理单元(2-2)的加速度检测信号输入端，
角度敏感器信息处理单元(2-2)的陀螺校正信号输出端连接陀螺信息处理单元(2-1)的陀螺校正信号输入端，陀螺信息处理单元(2-1)的信号输出端连接姿态预估计单元(2-3)的陀螺校正信号输入端，
角度敏感器信息处理单元(2-2)的测量偏差校正信号输出端连接姿态估计器(2-4)的测量偏差校正信号输入端，姿态估计器(2-4)测量偏差校正信号输出端连接角度敏感器信息处理单元(2-2)的测量偏差校正信号输入端，
姿态估计器(2-4)的陀螺漂移校正信号输出端连接陀螺信息处理单元(2-1)的陀螺漂移校正信号输入端，
姿态估计器(2-4)的姿态校正信号输出端连接姿态预估计单元(2-3)的姿态校正信号输入端，姿态预估计单元(2-3)的姿态校正信号输出端连接姿态估计器(2-4)的姿态校正信号输入端，
姿态预估计单元(2-3)的姿态控制信号输出端连接姿态控制器(1-3)的姿态控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，其特征在于：它还包括磁力仪(2-5)，
磁力仪(2-5)的磁力信号输出端连接角度敏感器信息处理单元(2-2)的磁力信号输入端。
3.根据权利要求2所述的用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，其特征在于：所述磁力仪(2-5)为三轴磁通门磁力仪。
用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，属于惯性导航技术领域。
背景技术
[0002] 导航系统是保证潜艇水下安全航行的手段，在现代高新技术作战中，还能为中远程武器提供精确的初始位置和姿态。由于惯性导航系统的误差随时间积累，长时间航行会出现很大的位置累积误差，因此，我国核潜艇和新型常规动力潜艇普遍以惯性导航(INS)为核心，采用GPS与惯性导航构成综合导航系统，对惯性导航系统进行周期性的重调，提高潜艇长期航行的定位精度。但按作战使用要求，该综合导航系统的定位精度还有较大差距，特别是战时，由于GPS可能受到人为干扰，导航系统的正常工作受到严峻的挑战；另外，利用GPS重调需接近水面才能收到信息，对潜艇的隐蔽性构成了很大的威胁。
[0003] 为了保证核潜艇的灵活性、隐蔽性和攻击时的突然性，需考虑采用其它辅助导航手段，使导航系统在不依赖GPS的情况下保证系统精度。目前，国内外在发展高精度惯性导航的同时，正在探索各种水下自主导航方法，提出较多的可行方法，如无源重力导航、海底地形匹配导航及地磁导航等。
[0004] 正常地磁场匹配导航技术最早出现在小卫星定轨，在上世纪90年代初，美国科学家Pasiaki和Bar-Itzhack就提出了通过测量卫星所在位置的地磁场强度，与地磁图匹配自主地确定卫星轨道，近十几年，俄罗斯有关大学和以色列学者都对地磁导航进行了研究，并进行了地面模拟实验。本世纪初，我国开始有三轴磁强计来进行卫星轨道确定的文献，哈尔滨工业大学、西安交通大学和中国科学院空间科学与应用研究中心分别提出了一些改进方法，将磁力仪与GPS，雷达高度计等组合，并根据卫星实测数据进行了仿真实验研究，实验结果表明，其定位误差能控制到1km以内，该精度能满足低轨卫星中等精度的要求。除了小卫星定轨，在制导技术中也开始利用地磁导航。美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配制导系统，据称俄罗斯也采用磁通门传感器进行过地磁场等直线匹配制导技术的实验。
[0005] 早期的地磁匹配导航都是将测量的地磁数据与正常地磁场匹配，由于正常地磁场的模型通常都是由航测数据处理后构建，只能描述测量面的地磁特征，忽略了测量面以下空间小范围小幅度的地磁信号，不适用于地面或以下的定位，存在适用范围小的缺点。此外，构建全球或全国地磁模型的地磁测量数据间距较大，并且在拟合时由于模型级数的限制，模型的高阶次分量通常被忽略，正常地磁场模型定位也存在误差大的缺点。
[0006] 随着地磁测量精度的提高和地磁图的完善，定位精度更高的地磁异常匹配技术被广泛研究。20世纪80年代初，瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证，实验中将地磁异常强度的测量数据与地磁异常图进行人工比对，确定船只的位置。2006年，F.Goldenberg针对飞机的地磁导航系统进行了研究，将测量的地磁异常场强度序列与事先存储的地磁异常图实时进行相关匹配，确定飞机在地磁异常图上的经度和纬度。我国在近几年也展开了相关研究，特别是惯性/地磁组合导航技术得到了广泛研究。天津航海仪器研究所采用相关匹配算法用地磁异常与基准图匹配，并结合采样卡尔曼滤波校正惯导位置。国防科技大学机电工程与自动化学院用改进的ICP算法和扩展卡尔曼滤波技术实现定位。西北工业大学自动化学院结合地磁异常匹配和自适应卡尔曼滤波技术，抑制惯导系统的误差发散。如中国专利《地磁辅助组合导航装置》，公开号为CN1291714，公开日为2001.04.18，公开的地磁辅助惯性导航系统主要用于飞行器的自主定规，而对于水下环境，由于水下地磁信号的多变性，用于空中和地面的地磁辅助导航系统不适用于水下环境。
实用新型内容
实用新型内容
[0007] 本实用新型是为了解决水下载体的惯性导航系统随运行时间存在累积误差的问题，提供一种用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统。
[0008] 本实用新型所述的用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，它包括地磁惯性导航主系统，该地磁惯性导航主系统包括陀螺仪、加速度计和姿态控制器，它还包括辅助校正单元，辅助校正单元由陀螺信息处理单元、角度敏感器信息处理单元、姿态预估计单元和姿态估计器组成，
[0009] 陀螺仪的检测信号输出端连接陀螺信息处理单元的陀螺仪检测信号输入端，[0010] 加速度计的检测信号输出端连接角度敏感器信息处理单元的加速度检测信号输入端，
[0011] 角度敏感器信息处理单元的陀螺校正信号输出端连接陀螺信息处理单元的陀螺校正信号输入端，陀螺信息处理单元的信号输出端连接姿态预估计单元的陀螺校正信号输入端，
[0012] 角度敏感器信息处理单元的测量偏差校正信号输出端连接姿态估计器的测量偏差校正信号输入端，姿态估计器测量偏差校正信号输出端连接角度敏感器信息处理单元的测量偏差校正信号输入端，
[0013] 姿态估计器的陀螺漂移校正信号输出端连接陀螺信息处理单元的陀螺漂移校正信号输入端，
[0014] 姿态估计器的姿态校正信号输出端连接姿态预估计单元的姿态校正信号输入端，姿态预估计单元的姿态校正信号输出端连接姿态估计器的姿态校正信号输入端，[0015] 姿态预估计单元的姿态控制信号输出端连接姿态控制器的姿态控制信号输入端。
[0016] 所述的用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，它还包括磁力仪，[0017] 磁力仪的磁力信号输出端连接角度敏感器信息处理单元的磁力信号输入端。
[0018] 本实用新型的优点是：本实用新型能够实现对载体下述两个方面的校正：
[0019] 姿态修正：将陀螺仪的连续测量值作为载体的短期姿态基准，积分得到相应的姿态角，但陀螺漂移和初始条件的不确定性会产生随时间增长的误差；加速度计和磁力仪的姿态信息不含有此误差，可提供载体的长期姿态校正信息，以一定的采样频率提供载体三轴姿态角信息，估计和校正姿态、陀螺漂移，以提高载体姿态的精度。
[0020] 位置修正：首先由载体的磁力仪获取实时地磁数据；处理实时地磁数据，提取对应的地磁特征；地磁匹配并获得载体当前的位置用于更新惯性导航系统INS。辅助校正单元内部采用匹配算法匹配潜艇航迹，由测量的离散点集表示航迹曲线，通过曲线的旋转平移得到潜艇位置校正惯导航迹，因此，需采集一定量的数据才能实现位置校正。但由于惯性导航系统开始工作或修正后在一定时间范围内位置信息是比较精确的，这一特点给地磁定位的可行性提供了方便。因此不需要实时、连续地进行修止，它只要在一定范围内(如经纬度1°×1°范围内)找到达到满足精度要求的1-2点的位置数据即可。使导航计算机负担较轻，也使匹配过程易于实现。附图说明：
[0021] 图1为本实用新型的原理框图；
[0022] 图2为本实用新型的控制算法原理框图；
[0023] 图3为辅助校正单元的算法流程图；
[0024] 图4为辅助校正单元的工作原理框图。
具体实施方式
[0025] 具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于水下载体的地磁辅助惯性导航系统，它包括地磁惯性导航主系统，该地磁惯性导航主系统包括陀螺仪1-1、加速度计1-2和姿态控制器1-3，它还包括辅助校正单元2，辅助校正单元2由陀螺信息处理单元2-1、角度敏感器信息处理单元2-2、姿态预估计单元2-3和姿态估计器2-4组成，
[0026] 陀螺仪1-1的检测信号输出端连接陀螺信息处理单元2-1的陀螺仪检测信号输入端，
[0027] 加速度计1-2的检测信号输出端连接角度敏感器信息处理单元2-2的加速度检测信号输入端，
[0028] 角度敏感器信息处理单元2-2的陀螺校正信号输出端连接陀螺信息处理单元2-1的陀螺校正信号输入端，陀螺信息处理单元2-1的信号输出端连接姿态预估计单元2-3的陀螺校正信号输入端，
[0029] 角度敏感器信息处理单元2-2的测量偏差校正信号输出端连接姿态估计器2-4的测量偏差校正信号输入端，姿态估计器2-4测量偏差校正信号输出端连接角度敏感器信息处理单元2-2的测量偏差校正信号输入端，
[0030] 姿态估计器2-4的陀螺漂移校正信号输出端连接陀螺信息处理单元2-1的陀螺漂移校正信号输入端，
[0031] 姿态估计器2-4的姿态校正信号输出端连接姿态预估计单元2-3的姿态校正信号输入端，姿态预估计单元2-3的姿态校正信号输出端连接姿态估计器2-4的姿态校正信号输入端，
[0032] 姿态预估计单元2-3的姿态控制信号输出端连接姿态控制器1-3的姿态控制信号输入端。
[0033] 具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式还包括磁力仪2-5，
[0034] 磁力仪2-5的磁力信号输出端连接角度敏感器信息处理单元2-2的磁力信号输入端。
[0035] 具体实施方式三：本实施方式为对实施方式二的进一步说明，本实施方式所述磁力仪2-5为三轴磁通门磁力仪。
[0036] 本实用新型的工作过程及工作原理：
[0037] 1地磁姿态校正
[0038] 利用地磁确定载体姿态时，要求载体静止或以稳定的速度运行，即没有线加速度；另外，地磁异常较大的区域，也不适合用地磁姿态确定系统。因此，本实用新型在地磁航向应用中，以陀螺仪1-1的连续测量值作为载体的短期姿态基准，同时根据加速度计1-2的输出，判断载体的状态，在稳定状态时根据磁力仪2-5的测量值提供载体的长期姿态校正信息，通过一定的姿态确定算法对载体姿态、陀螺漂移或地磁模型偏差进行校正。
[0039] 陀螺仪1-1、加速度计1-2和三轴磁通门磁力仪沿载体的坐标轴安装。其工作原理简述如下：
[0040] (1)陀螺仪1-1作为载体的短期姿态参考，连续提供载体的三轴姿态角速度信息，积分得到相应的姿态角。但由于存在陀螺漂移、初始条件的不确定性及积分误差等，由此得到的姿态角信息中含有随时间增长的误差。
[0041] (2)加速度计1-2和三轴磁通门磁力仪作为载体的长期姿态参考，以一定的采样频率提供载体三轴姿态角信息。但测量值中含有测量误差，因此必须对测量信息进行数据处理。
[0042] (3)根据陀螺仪1-1、加速度计1-2和三轴磁通门磁力仪的测量值，建立姿态估计器2-4，采用滤波算法来估计和校正姿态、陀螺漂移，以及地磁测量和模型的常值偏差，以提高载体姿态确定系统的精度。
[0043] 综合上述分析和地磁、惯导系统特性，组合系统的基本工作模式简介如下：
[0044] 初始对准：
[0045] 惯性导航系统缺乏准确的航向对准基准，若用地磁场在载体坐标系的三轴分量HX，HY，HZ计算真方位：
[0046]
[0047] 式中：ψM为真航向角；φ为纵摇角；θ为横摇角；HX0、HY0为地磁场在地理坐标系中的X轴、Y轴分量。
[0048] 以初始对准后的纵摇角φN0和横摇角θN0取代式中的φ，θ，即得精确的真航向基准ψM0。
[0049] 消除陀螺漂移累积误差：
[0050] 设任一次采样计算中由惯性导航系统提供的、已扣除此前的累积漂移误差后的真航向为ψN、纵摇角φN、横摇角θN，它们在上次采样计算中所得的累积漂移误差修正量分别为ΔψN(i-1)，ΔφN(i-1)，ΔθN(i-1)，则消除累积漂移误差后的航向姿态：
[0051]
[0052] 计算航向姿态ΔψMi，ΔφMi，ΔθMi，
[0053] 以ψ′Ni，φ′Ni，θ′Ni取代ψ，φ，θ，应用第一步中的公式和下列两式：
[0054]
[0055]
[0056] 判别地磁数据库的完善性和准确性：
[0057] 若ψM，φM，θM不准确，由于HX，HY，HZ，ψ′Ni，φ′Ni，θ′Ni已消除误差，必为HX0，HY0，HZ0不准确所致。若允许误差定为ψMm，φMm，θMm，则当 或或 时，判定HX0，HY0，HZ0不够精确，而ψMi，φMi，θMi不予选用，以纯惯导状态工作。
[0058] 航向姿态加权余度计算：
[0059] 选用ψMi，φMi，θMi时，可令系统实时航向姿态为：
[0060]
[0061] 式中，加权系数aψ+bψ＝aφ+bφ＝aθ+bθ＝1，比值随仪表精确度而定；不用ψMi，φMi，θMi时，则令bψ＝bφ＝bθ＝0，暂不消除累积漂移误差。间断进入纯惯性工作状态，对系统精度无实际影响。
[0062] 累积漂移误差修正量计算：
[0063] ΔψNi＝ψi-ψNi，ΔφNi＝φi-φNi，ΔφNi＝φi-φNi。
[0064] 自动完善地磁模型：
[0066] 二、位置校正：
[0067] 主要内容如下：首先由载体的磁力仪2-5获取实时地磁数据；处理地磁数据，提取对应的地磁特征；地磁匹配并获得载体当前的位置用于更新INS。
[0068] 通过图3可以看出，匹配算法是本实用新型系统的关键，主要有3个方面的内容：特征空间的选择、相似性度量的决定和搜索策略的确定。用小波变换提取地磁特征，而潜艇航迹又视为刚性变换，要保证旋转不变性，因此，在特征空间选择方面，采用一种正则化的小波描述子来表示航迹。在相似性度量上采用基于距离最小分类器原则来比较两条航迹的正则化小波系数向量；在搜索策略上采取由粗到精的匹配策略，这样既可以加快匹配速度，又能够克服噪声的影响。
[0069] 基于地磁水平分量和垂直分量表示的平面航迹的小波变换：
[0070] 因为小尺度信号为异常信号，从地磁测量值中提取大尺度信号与模型匹配。在航迹描述中设两个尺度，分别为M，m， φ(t)是满足双尺度方程的尺度函数与小波函数。
[0071] 一条航迹可由如下的基于地磁分量坐标系的参数方程表示：
[0072]
[0073] 式中：h(t)-----地磁数据的水平分量，
[0074] z(t)-----地磁数据的垂直分量，
[0075] t-----从起点t0到当前采样时刻的时间，
[0076] T-----待匹配航迹总的采样时间。
[0077] 通过对航迹的参数方程进行小波变换得到：
[0078]
[0079] 其中： 表示尺度为M上的逼近信号，表示曲线的大致形状； 表示尺度为m上的细节信号。由上述
公式求得的小波系数 可用作航迹的描述子。
公式求得的小波系数 可用作航迹的描述子。
[0080] 平面曲线小波系数的正则化描述：
[0081] 由于实际目标中的同一条曲线在不同的图像中可能存在平移、旋转和尺度变换，所以必须寻找一种不变的描述子，即这种描述子不随平面曲线平移、旋转和尺度变换的变化而变化。正则化的小波系数具有旋转、平移和尺度的不变性，以下是对逼近信号系数的正则化。
[0082] 平移变换正则化：
[0083] 其中N为系数 的个数， 为N个系数的平均位移。
[0084] 对于尺度变换与旋转变换的正则化：
[0085] 首先把直角坐标转化为极坐标，如下所示：
[0086]
[0087] 则对于尺度变换的正则化有：
[0088] 式中：A-----N个系数 的平均幅值，
[0089] 对于方向的正则化表示如下：
[0090] 式中：θ-----N个系数 的平均幅值角，
[0091] 把正则化的极坐标转化为直角坐标可得到直角坐标下尺度变换与旋转变换都正则化的的小波系数：
[0092]
[0093] 参考航迹的分辨率与实时采样曲线分辨率一致，即两曲线尺寸无缩放，尺度因子定为1。在这里采用正则化小波系数 来度量两条曲线的相似性，并用向量 表示曲线C，并记为NWVector(C)。
[0094] 基于正则化小波描述子的航迹匹配：
[0095] 用以上公式提取惯导航迹向量组CN，地磁航迹向量组CM。对表示地磁航迹的CM与惯导航迹的CN，经过相同层数的离散小波变换并正则化小波系数后，定义归一化的曲线距离为： 式中DIM(V)为向量V的维数。曲线匹配的准则是基于最小距离分类器，即归一化曲线距离越小，曲线越相似。
[0096] 设置一个阈值T，限定归一化距离的最大值；设定初始值D0为无穷大，j＝1，算法流程图如图3所示。
[0097] 对于匹配成功的曲线，将最低频率对应的地磁航迹作为参考来校正惯导航迹。根据地磁特征，用地磁模型反算求出对应的位置点坐标，这样形成两个点集{A}和{B}作为初始控制点集。分别为{A}：{X1i，Y1i}；{B}：{X2i，Y2i}，i＝1，2，……，N。
[0098] 由于匹配过程中可能存着错误匹配或者误差比较大的匹配，对初始点集，可采用如下的方法进行一致性检测：设AiAj是控制点集{A}中点Ai与点Aj之间的距离，那么对分别有N个控制点的两个点集，可以计算N(N-1)/2个比值AiAj/BiBj，这些比值形成一个聚类，对于那些偏离聚类中心比较远的地方的控制点对，可认为该对控制点是误配点，因而可以去掉这些误配点。
[0099] 本实用新型的效果：
[0100] 利用地磁姿态的工作模式仿真，比较未采用本地磁辅助惯性导航系统修正及采用本地磁辅助惯性导航系统修正后的姿态误差和地磁异常，如下表所示：
[0101]
[0102] 上表中Δψ为航向角误差；Δφ为纵摇角误差；Δθ为横摇角误差；ΔHX0、ΔHY0、、ΔHz0为地磁场在地理坐标系中的三轴分量误差。
[0103] 由上表可知，利用加速度计1-2和磁力仪2-5的检测数据有效补偿了陀螺漂移引起的姿态误差，并消除了地磁异常的主要成分。并且，地磁/惯性导航系统需要有一定精度的地磁模型，以上模式自行完善地磁模型，为地磁定位提供了相对准确的资料。
[0104] 在捷联惯导的基础上，地磁辅助导航的工作原理概述为：水下载体将测量的地磁信息输入导航计算机，在导航计算机内进行数据解算，找到最精确的位置和姿态后对惯性导航误差进行修正。
[0105] 该系统修正惯导姿态和位置，其工作原理如图4所示。
[0106] 本实用新型利用地球固有的物理信息来修正惯性导航误差。海洋地磁信息的应用可分为两方面：其一是测定地磁数据与地磁图比较，根据实时测得载体所处位置的磁力值，在预先测得的磁力图上进行载体定位，来帮助惯导系统修正其自身的位置误差；其二是比较磁航向系统与载体航向的差值，通过对照比较修正惯导系统的航向误差。要达到满足修正惯性导航误差的要求，将两种方法加以综合，即以磁航向修正为主，以地磁定位为辅建立了此辅助导航系统。水下载体将测量的地磁信息输入导航计算机，在导航计算机内进行数据解算，找到最精确的位置和姿态后对惯性导航误差进行修正。本实用新型利用地磁场分量作为无源定位信息，通过要素参数的测量，结合一定的理论方法建立地磁场要素和位置及其误差模型，与惯性导航构成组合系统，提高了惯导系统长期工作精度，满足其水下导航定位的需求。
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