[发明专利]一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法

说明书

本发明属于导航技术领域，公开了一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法，适用于无人潜航器等水下载体的全纬度导航航行。本发明提出一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法，以地理坐标系、横坐标系下的组合导航滤波器为基础，建立了系统误差状态及其协方差矩阵在两个导航坐标系之间的转换关系，设计了滤波状态稳定的组合导航滤波器，解决了坐标系转换过程中的滤波状态跳变问题；本发明设计的惯性/多普勒组合导航方法满足了无人潜航器全纬度航行作业任务的需求，具有十分重要的工程意义。

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及惯性/多普勒组合导航方法，特别涉及一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法，适用于无人潜航器等水下载体的全纬度导航航行。

背景技术

无人潜航器具备机动灵活、部署方便、安全性高的特点，能够执行一些载人潜航器难以完成的任务，近年来得到了各工业强国的大力发展。无人潜航器具有很高的自主性，其搭载的传感器具备导航、感知、自主决策等能力，使其在环境测量、测绘作业等场景下的作用越来越重要。根据现有认知，对无人潜航器而言，自主导航能力是决定其水下生存能力最为关键的一环之一。目前，无人潜航器通常搭载了惯性导航系统(INS)、多普勒测速仪(DVL)、深度计等导航传感器，借助惯性基组合导航系统提供的高精度姿态、速度、位置信息，为无人潜航器水下作业提供空间、时间基准信息。

近年来，随着全球变暖，两极地区冰层逐渐融化，各大国对两极地区的科考任务逐渐增多，纷纷抢占在两极地区的话语权。作为一种有效的测量手段，无人潜航器在两极科考过程中逐渐担负起了重要作用。为了保证无人潜航器在高纬度地区的导航能力，需要着重考虑惯性/多普勒组合导航系统在极区的导航算法设计。近年来，国内外许多机构、专家学者纷纷投入了很大的成本和精力对此问题研究。然而，目前的研究基本延续了中低纬度导航算法设计的思路，只是单纯在高纬度地区进行导航算法设计，忽视了导航过程的连续性。对于很多大中型无人潜航器而言，其水下航行时，需要执行全纬度作业任务，即存在从中低纬度向高纬度航行或者是从高纬度向中低纬度航行的任务场景。高纬度地区可以在格网坐标系或者横坐标系下进行惯导算法机械编排设计和组合导航算法设计，而在中低纬度时一般在地理坐标系下进行设计。横坐标系由于算法设计简单，与航海海图配合较为方便，在航海高纬度导航算法设计时应用较多。对于惯性/多普勒组合导航滤波器而言，如果直接从地理坐标系“硬切换”至横坐标系，将不可避免的出现滤波震荡问题，需要长时间才能完成滤波稳定，这极大影响了无人潜航器的导航精度，对于执行精密测绘任务十分不利，而这正是现有研究忽视的地方。

本发明针对目前存在的问题，提出一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法，以地理坐标系、横坐标系下的组合导航滤波器为基础，建立了系统误差状态及其协方差矩阵在两个导航坐标系之间的转换关系，设计了滤波状态稳定的组合导航滤波器，解决了坐标系转换过程中的滤波状态跳变问题；本发明设计的惯性/多普勒组合导航满足了无人潜航器全纬度航行作业任务的需求，具有十分重要的工程意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：提供完全自主的全纬度导航方案，解决无人潜航器跨纬度航行过程中不同导航坐标系转换导致的滤波不稳定问题，实现系统误差状态的平滑过渡，提高导航精度，为无人潜航器等水下载体的全纬度导航航行提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

一种无人潜航器惯性/多普勒组合导航方法，包括以下步骤：

(1)确定无人潜航器在高纬度航行区域的导航坐标系及位置表示方式，包括如下步骤：