[发明专利]一种水面/水下航行器与定位设备之间的航向角偏差估计方法

说明书

本发明公开一种水面/水下航行器与定位设备间的航向角偏差估计方法，首先航行器在水面或水下进行定向直线航行，同时通过自身定位和定位设备定位，获得大地东北向坐标下航行器的离散定位点数据；然后采用数据拟合将航行器自身运动轨迹点和定位设备测试数据进行直线拟合，两条直线间的角度差即为航行器和定位设备的航向角偏差值；对同航向进行多次测试，并将多次数据求平均，即可获得该方向下的航向角偏差；然后控制航行器朝别的不同方向进行直线航行，重复上述步骤，获得其它方向下的航向角的偏差，若多个方向下的航向角偏差的相对误差小于5％，则再次求平均。该方法操作便捷，定位设备获取的定位数据更加精准，适用于各种不同的航行器航行环境。

技术领域

本发明涉及水面/水下水下航行器导航仪器校准领域，具体涉及一种水面/水下航行器与定位设备之间的航向角偏差估计方法。

背景技术

水下航行器(以下简称航行器)是有缆或无缆连接的水面/水下无人航行平台(比如AUV、ROV、滑翔机或者混合型水下航行器等)，在装载合适的声纳、水文、化学等传感器后可应用于水上/水下环境监测、近海石油工程作业、水下搜索与测绘等领域。它具有控制灵活、航行面积广阔、价格低廉等特点，是近年来海洋工程领域研究的热点之一。水下导航技术是实现航行器自主航行的关键，但是不同于传统导航系统，水下导航技术具有海洋环境复杂、可获取的外界信息少、系统功耗/体积制约等特点，具有极大的挑战性。航行器搭载的常用的水下导航传感器有多普勒计程仪(Doppler Velocity Log，DVL)、电子罗盘、惯性导航系统、深度传感器、基线定位系统(如长基线LBL、短基线SBL、超短基线USBL等)等。

在幽深的海底，要想知道潜水器所在位置并不容易，因为无线电波在水中的快速衰减使全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的定位手段无计可施，而航行器在航行过程中自身导航精度有限，需采用对端定位设备对航行器进行辅助定位以提高精度。声波是目前最有效的水下远距离传播的信息载体，水下对端定位设备一般采用基线定位系统，利用声波进行定位，分为长基线、短基线和超短基线(USBL)三类。超短基线的接收传感器就类似于人类的耳朵，两耳之间的距离就相当于基线。长基线系统的信标之间相距几公里到几十公里，基线越长，精度越高。但潜水器进行水下精确作业时，需要在海底布阵，复杂且受限。故超短基线USBL定位系统是比较常用的手段，应用在水下航行器中时，常使用USBL作为对端定位设备，它由发射换能器、应答器、接收基阵组成。发射换能器和接收基阵安装在母船或固定框架上，应答器固定在航行器上。发射换能器发出一个声脉冲，应答器收到后，回发声脉冲，接收基阵收到后，测量出X、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出水下装置到基阵的距离，从而计算得到航行器在USBL设备体坐标上的位置，USBL设备采用自身姿态传感器可进一步得到航行器在大地坐标下的位置数据。

在航行器的导航定位中，航行器可靠自身携带的传感器获得的测量信息推算自身的位置，但是仅仅依靠推算精度往往打不到要求，并且误差在不断的积累扩大。在航行器推算位置的基础上，融入对端定位设备的定位信息就能比较快速有效地解决这一问题。另外，在实际应用中经常需要控制航行器回到定位设备附近，比如进行回收或回坞，而在这一过程中对端定位设备对航行器的定位显得尤为重要，并且在近距离更看重相对位置关系，如何获得两者更加准确的相对关系是这一技术的关键。但是对端定位设备(后面将以USBL为例)测得的位置信息是相对于自身定义的仪器体坐标系下的位置，在使用USBL测量的位置进行导航时，必须要经过坐标转换，将其转换到和航行器相同的大地坐标系(即东北天)下，这一过程通常需利用各自自身的姿态传感器测得的其载体姿态信息。若USBL坐标系与航行器坐标系不存在偏角，则坐标转换过程不会导致测量位置的偏差。然而实际应用中，航行器和USBL设备的姿态传感器(特别是航向角)本身传感器之间测量有固定偏差，各自受到周边不同环境影响也会产生偏差，导致两者航向角不一致。另外，USBL本身定位数据产生在体坐标下，其姿态/航向传感器和声线模块之间的安装方向偏差将会导致坐标转换过程中的偏差。这几方面引起的航向角偏差会直接影响系统整体的导航精度，且随着航行时间的增加会产生累计误差，因此有必要对两者之间的航向角的偏差进行估计并校正，以提高航行器的导航精度。