[发明专利]一种用于水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法

说明书

技术领域

本发明属于水下无人航行器导航的粗对准算法领域，尤其涉及适用于水下无人航行器在极区航行过程中导航的初始粗对准方法。

背景技术

水下无人航行器是海洋探索与海洋开发的重要智能装备。由于在完成任务的过程中不需要人类参与其中，在海洋探索，海洋开发和海底铺管作业等发挥着重要的作用，准确的导航是水下无人航行器完成任务的重要前提。由于水下无人航行器主要采用捷联惯导系统，初始条件对于捷联惯导系统的准确性有重要的影响。因而初始对准算法十分重要。

针对非极区的初始对准，学者们提出了许多方法初始粗对准算法，在非极区可以实现较好的粗对准。如马荟在文章《舰船捷联惯导系统粗对准方法研究》(发表于2013，哈尔滨工程大学，工学硕士论文)中，以及何东旭在文章《AUV水下导航关键技术研究》(发表于2013,哈尔滨工程大学，工学博士论文)中提到的解析式粗对准算法、水平二阶调平+方位估算粗对准算法、基于姿态矩阵的粗对准算法以及基于姿态四元数的粗对准算法等。但是由于极区自然条件和导航条件十分恶劣，特别是地理经线在极点附近快速收敛，会为传统的粗对准算法在极区应用是带来困难。由于用于水下无人航行器非极区导航的粗对准算法是基于传统指北方位的捷联惯导系统的粗对准算法。在极区，自然环境和地理环境十分特殊，在极点附近经线快速收敛，这使得传统的指北方位的捷联惯导系统在极区应用过程中会存在计算溢出和误差放大等问题。因而传统的用于水下无人航行器非极区导航的粗对准算法在极区无法应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效的用于极区导航并提高粗对准精度的用于水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法。

步骤一：获取水下无人航行器在极区所处位置的经纬度，确定初始对准时刻，地心地固坐标系e到格网坐标系G之间的方向余弦矩阵

步骤二：选取时间间隔Δt，确定惯性坐标系i与地心地固坐标系e之间的方向余弦矩阵

步骤三：由水下无人航行器中，捷联惯导系统中陀螺仪的输出，确定载体坐标系b到初始时刻与惯性坐标系相固连的载体坐标系b₀之间的方向余弦矩阵

步骤四：确定初始对准时刻与惯性坐标系固连的载体坐标系b₀到惯性坐标系i的方向余弦矩阵

步骤五：由步骤一至步骤四结果，确定载体坐标系b到格网坐标系G的方向余弦矩阵即为所要确定的初始对准姿态矩阵；

步骤六：根据步骤五得到的初始对准姿态矩阵解算提取水下无人航行器经过初始粗对准后得到的初始姿态角φ_x，φ_y和φ_z以及初始姿态误差角δφ_x，δφ_y和δφ_z。

本发明方法还满足：

地心地固坐标系e到格网坐标系G之间的方向余弦矩阵满足：

其中，为地心地固坐标系到地理坐标系之间的方向余弦矩阵，为地理坐标系到格网坐标系之间的方向余弦矩阵，λ和L分别为水下无人航行器所在位置的经度和纬度值，格网坐标系天向分量与地理坐标系天向分量之间的夹角σ满足：

初始对准姿态矩阵满足：

本发明有益效果：本发明解决传统粗对准方法在极区不可用的问题，考虑了水下无人航行器导航的特点以及极区自然环境和导航环境的特点，引入格网坐标系G作为导航坐标系，建立水下无人航行器极区导航的初始粗对准方法。设计了基于格网坐标系的水下无人航行器极区航行粗对准方法，可以有效提高水下无人航行器在极区导航过程中的初始粗对准精度。更加适用于水下无人航行器在极区的航行。

附图说明

图1是本发明提出的用于水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法流程图；

图2是本发明提出的水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法与传统粗对准算法应用在水下无人航行器上的横摇角误差曲线的对比；

图3是本发明提出的水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法与传统粗对准算法应用在水下无人航行器上的纵摇角误差曲线的对比；

图4是本发明提出的水下无人航行器在极区导航的初始粗对准方法与传统粗对准算法应用在水下无人航行器上的航向角误差曲线的对比。

具体实施方式

下面结具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：