一种用于水下滑翔器的组合导航装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于水下滑翔器的组合导航装置及方法，装置包括电子罗盘、微机电系统惯性测量单元、全球卫星系统接收模块、数字信号处理处理模块。本发明采用MEMS陀螺、加速度计组成的姿态测量单元和电子罗盘集成为惯性组合导航与定位系统来与控制系统配合，使用DSP技术作为导航解算部件，经过在全温范围内对各传感器进行降噪、温度补偿、非线性校正、交叉耦合补偿及航位推算等多种算法，完成水下滑翔体的自主准确定位。本发明的优点在于体积小、集成度高、功耗低、长航时、成本低等，能迅速准确地得到水下滑翔器当前位姿信息，使它保持本体平衡，同时为其提供航迹和位置参数。

主权项

一种用于水下滑翔器的组合导航装置的方法，所述用于水下滑翔器的组合导航装置包括电子罗盘、微机电系统惯性测量单元、全球定位系统接收模块、数字信号处理处理模块；电子罗盘测量方位角得到航向信息；微机电系统惯性测量单元测量姿态和航向变化，并借助电子罗盘航向信息进行校正；全球定位系统接收模块则完成对水下滑翔器的水面定位、微机电系统惯性测量单元的标定及校正；数字信号处理处理模块完成对导航系统中各个模块数据的转化、处理，并将航向位置数据输出到水下滑翔器中心计算机，实现自主导航与定位，其特征在于所述用于水下滑翔器的组合导航装置的方法具体包括以下步骤： (1)初始时刻，GPS对导航测量单元包括三维电子罗盘、三轴加速度计和三轴陀螺进行初始校正，得到初始信息；电子罗盘提供载体的初始航向信息，通过传递对准给捷联惯性导航系统以获得初始的失准角信息，而微机电系统惯性测量单元测得的角速率和加速度信息由捷联惯性导航系统导航姿态解算模块来处理，导航姿态解算模块由角速率和加速度信息解算出载体的速度、位置及姿态信息；陀螺和加速度计分别用来测量载体的角运动和线运动信息，导航解算模块根据这些测量信息建立姿态阵解算的数学平台，从而解算出运动载体的航向、姿态、速度及位置；(2)在长时间运行时，采用电子罗盘的航向角信息来对MEME‑SINS输出的信息进行校正，相应的差值作为无迹卡尔曼滤波器的观测量，经无迹卡尔曼滤波估计出的惯导参数误差反馈到捷联惯性导航系统导航解算模块内，在力学编排方程中校正惯性传感器的输出，推算的速度和经纬度、建立的姿态矩阵数字平台，将校正后的参数代入下一次运算；经过反馈校正后，捷联惯性导航系统输出的导航参数就是组合导航系统的输出；(3)针对水下滑翔器的具体情况，利用航位推算原理，分析航位推算的误差源，在其基础上推导航位推算误差方程，并应用航位推算误差方程对初始误差角、刻度因子和陀螺随机常值漂移进行补偿；对于电子罗盘，通过对软铁及硬铁干扰的分析和建模，提出应用分段补偿的方法对其进行误差补偿；(4)水下滑翔器工作时间是以水下为主，隔段时间会上浮接收GPS信息，为了保证系统低功耗，在水上水下采取不同的算法：水下采用AUKF算法；水上采用联邦滤波算法；(5)采用水下滑翔器每次工作前首先进行静止零位误差校正；滑翔体在水中滑翔后浮出水面，首先进行静止零位误差校正，再利用航位推算位置误差来计算初始航向误差角的方法，对动态粗对准的初始航向角进行补偿，完成动态精对准过程；(6)在包括陀螺、加速度计和电子罗盘的多传感器数据中，采用新息法来剔除野值。