GNSS位置法辅助DVL误差标定方法及系统与流程

gnss位置法辅助dvl误差标定方法及系统
技术领域
1.本发明涉及误差标定技术领域，尤其是指一种gnss(global navigation satellite system，全球卫星导航系统)位置法辅助dvl误差标定方法及系统。


背景技术：

2.当前多普勒计程仪(简称dvl)测量系统正越来越多的被应用到军民及工业领域，其自主性导航定位优势，成为水下导航定位系统的首选。由于dvl测速系统存在测速误差和安装误差角，使得系统导航定位精度受到一定限制。因此，在实现dvl测速导航定位之前，通常需要对其进行比例因子和安装误差角标定。现有的标定方法主要采用速度匹配方法，这种方法存在测速噪声对标定结果的影响，导致标定结果呈现噪声特性，降低了标定精度。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中dvl误差标定过程中速度噪声大的问题，从而提供一种速度噪声干扰小的gnss位置法gnss位置法辅助dvl误差标定方法及系统。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：包括以下步骤：根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；根据所述矢量观测器计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至第二步骤。
5.在本发明的一个实施例中，所述标定参数包括安装误差角，根据所述矢量观测器计算所述标定参数时，基于梯度下降法计算所述安装误差角。
6.在本发明的一个实施例中，根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器的方法为：根据所述gnss数据及dvl数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器。
7.在本发明的一个实施例中，所述系统误差模型为dvl测速方程，所述dvl测速方程为：其中表示dvl测量速度；ζ表示dvl比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；表示载体姿态矩阵；v
n
表示gnss测量速度；表示载体姿态变化角速度；表示dvl与gnss之间的杆臂。
8.在本发明的一个实施例中，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器包括根据所述dvl测速方程计算dvl位移，所述计算dvl位移包括：
[0009][0010]
其中表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl测量速度；表示k
‑
1时刻dvl测量速
度；δt
d
表示dvl采样时间间隔；表示k
‑
1时刻dvl位移。
[0011]
在本发明的一个实施例中，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器还包括根据所述gnss数据计算dvl计算位移在载体系的映射，所述计算dvl位移在载体系的映射包括：
[0012][0013]
其中表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i个gnss测量速度在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i
‑
1个gnss测量速度在载体系的映射；δt
s
表示gnss采样时间间隔；n表示采样点个数。
[0014]
在本发明的一个实施例中，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器为根据dvl位移及dvl计算位移在载体系的映射构建所述矢量观测器，构建的所述矢量观测器为
[0015]
其中表示k时刻dvl位移；ζ表示dvl比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射。
[0016]
在本发明的一个实施例中，所述标定参数包括比例因子误差，根据所述矢量观测器计算所述标定参数时：对所述矢量观测器进行变换后：对上式两边求模值得：其中ζ表示dvl比例因子误差；表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射。
[0017]
在本发明的一个实施例中，所述基于梯度下降法计算所述安装误差角包括构造目标函数，根据构造的所述目标函数计算所述安装误差角。
[0018]
基于相同的发明构思，本发明还提供一种gnss位置法辅助dvl误差标定系统，包括获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；计算模块，所述计算模块用于根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；标定模块，所述标定模块用于根据所述矢量观测器计算标定参数。
[0019]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0020]
本发明所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法及系统，根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；根据所述矢量观测器计算标定参数，从而完成dvl误差标定。本发明由于利用gnss位置法辅助dvl误差标定，能够减小标定过程中速度噪声干扰对标定结果的影响，提高标定精度。
附图说明
[0021]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0022]
图1为本发明优选实施例中gnss位置法辅助dvl误差标定方法流程图；
[0023]
图2为标定过程中载体运动轨迹图；
[0024]
图3为本发明比例因子误差标定误差曲线图；
[0025]
图4为本发明安装误差角标定误差第一曲线图；
[0026]
图5为本发明安装误差角标定误差第二曲线图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0028]
实施例一
[0029]
参照图1所示，本发明实施例提供一种gnss位置法辅助dvl误差标定方法，包括如下步骤：步骤s1：根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；步骤s2：根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；步骤s3：根据所述矢量观测器计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至步骤s2。
[0030]
本实施例所述gnss位置法辅助dvl误差标定方法，所述步骤s1中，根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据，有利于实现gnss的位置轨迹测量与dvl测量关联；所述步骤s2中，根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器，从而能够减小标定过程中速度噪声干扰对标定结果的影响；所述步骤s3中，根据所述矢量观测器计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至步骤s2；本发明由于利用gnss位置法辅助dvl误差标定，能够减小标定过程中速度噪声干扰对标定结果的影响，提高标定精度。
[0031]
根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器的方法为：根据所述gnss数据及dvl数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器。
[0032]
下面详细说明如何根据所述gnss数据及dvl数据创建矢量观测器：
[0033]
构建的所述系统误差模型考虑比例因子误差和安装误差角，所述系统误差模型为dvl测速方程，所述dvl测速方程为：
[0034][0035]
其中表示dvl测量速度；ζ表示dvl比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；表示载体姿态矩阵；v
n
表示gnss测量速度；表示载体姿态变化角速度；表示dvl与gnss之间的杆臂。
[0036]
式(1)中通过下式计算：
[0037][0038]
表示载体姿态变化角速度；表示陀螺仪测量角速度；ε
b
表示陀螺仪零偏；表示载体姿态矩阵；表示地球系相对于惯性系旋转角速度在导航系的映射；表示导航系相对于地球系旋转角速度在导航系的映射。
[0039]
根据所述dvl测速方程计算dvl位移，所述计算dvl位移包括：
[0040][0041]
其中表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl测量速度；表示k
‑
1时刻dvl测量速度；δt
d
表示dvl采样时间间隔；表示k
‑
1时刻dvl位移。
[0042]
由gnss测量可知：
[0043][0044]
其中表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i个gnss测量速度在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i
‑
1个gnss测量速度在载体系的映射；δt
s
表示gnss采样时间间隔；n表示采样点个数。
[0045]
其中由下式计算：
[0046][0047]
式中，表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i个测量速度在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻计算的第i个载体姿态矩阵；表示k
‑
1时刻到k时刻gnss输出的第i个测量速度；表示k
‑
1时刻到k时刻计算的第i个载体姿态变化角速度；表示dvl与gnss之间的杆臂。
[0048]
根据获得的dvl位移及dvl计算位移在载体系的映射之间的关系构建得到所述矢量观测器为
[0049]
变换所述矢量观测器后：对该式两边求模值得：从而根据获得的dvl位移及dvl计算位移在载体系的映射计算出其中一个标定参数——比例因子误差ζ。其中ζ表示dvl比例因子误差；表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射；||||表示对矢量进行模值计算。
[0050]
根据计算获得的比例因子误差ζ构造观测矢量：其中β
k
表示观测矢量；α
k
表示参考矢量；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵。
[0051]
根据变换的所述矢量观测矢量及构造的观测矢量变换如下：下：表示估计的dvl比例因子误差。
[0052]
为实现快速标定，基于梯度下降法计算另一个标定参数——安装误差角，包括构造如下目标函数：
[0053][0054]
式(6)中表示安装误差角对应的四元数；β
k
表示观测矢量；α
k
表示参考矢量；表示四元数乘法。
[0055]
通过构造的所述目标函数，可以得到安装误差角对应的四元数为：
[0056][0057]
式(7)中表示第k次迭代的安装误差角四元数；表示第k
‑
1次迭代的安装误差角四元数；μ表示调节参数；表示目标函数的梯度，可以采用下式计算：
[0058][0059]
式(8)中表示目标函数的梯度；表示目标函数；表示目标函数对应的雅可比函数。
[0060]
选择合适的调节参数即可得到四元数再根据四元数与安装误差角方向余弦之间的关系即可求得从而计算出另一个标定参数——安装误差角。由于采用梯度下降法计算安装误差角，具有快速标定的优点，使得本发明的dvl误差标定方法既快又准。
[0061]
所述标定参数确定后，若标定过程持续时间为m，标定时间为k，若k≥m，则输出标定参数，完成标定过程；若k＜m，表示标定过程未完成，返回至所述步骤s2，直至标定过程结束。
[0062]
下面通过matlab仿真软件进行仿真验证，从而证明本发明标定的可行性。
[0063]
仿真硬件环境为intel(r)core(tm)t9600 cpu 2.80ghz，4g ram，windows7操作系统，并在以下仿真环境下运行：gnss定位误差为10m，数据输出率为1hz；dvl测速精度为0.5％v
±
0.5cm/s，数据输出率为1hz；载体姿态矩阵可以通过惯导系统输出得到；gnss与dvl之间杆臂长度为调节参数μ＝0.5，m＝600。
[0064]
从图2中可以看出，为了实现gnss位置矢量构造，需要载体按照一定轨迹运动。如图3所示，实现了比例因子误差小于0.03％的标定精度。如图图4和图5分别为x轴和z轴安装误差角误差图，从图中可以看出，采用gnss位置辅助dvl误差标定方法，可以有效的降低噪声特性影响。
[0065]
实施例二
[0066]
基于相同的发明构思，本实施例提供一种gnss位置法辅助dvl误差标定系统，包括：
[0067]
获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应
的gnss数据及dvl数据；
[0068]
计算模块，所述计算模块用于根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；
[0069]
标定模块，所述标定模块用于根据所述矢量观测器计算标定参数，并当标定时间不小于标定过程的持续时间时输出标定参数，完成标定过程。
[0070]
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0071]
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0072]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0073]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0074]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤s1：根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；步骤s2：根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；步骤s3：根据所述矢量观测器计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至步骤s2。2.根据权利要求1所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：所述标定参数包括安装误差角，根据所述矢量观测器计算所述标定参数时，基于梯度下降法计算所述安装误差角。3.根据权利要求1或2所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器的方法为：根据所述gnss数据及dvl数据构建系统误差模型，根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器。4.根据权利要求3所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：所述系统误差模型为dvl测速方程，所述dvl测速方程为：其中表示dvl测量速度；ζ表示dvl比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；表示载体姿态矩阵；v
n
表示gnss测量速度；表示载体姿态变化角速度；表示dvl与gnss之间的杆臂。5.根据权利要求4所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器包括根据所述dvl测速方程计算dvl位移，所述计算dvl位移包括：其中表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl测量速度；表示k
‑
1时刻dvl测量速度；δt
d
表示dvl采样时间间隔；表示k
‑
1时刻dvl位移。6.根据权利要求1或2所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器还包括根据所述gnss数据计算dvl计算位移在载体系的映射，所述计算dvl位移在载体系的映射包括：其中表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻dvl计算位移在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i个gnss测量速度在载体系的映射；表示k
‑
1时刻到k时刻输出的第i
‑
1个gnss测量速度在载体系的映射；δt
s
表示gnss采样时间间隔；n表示采样点个数。7.根据权利要求1或2所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：根据所述系统误差模型构建所述矢量观测器为根据dvl位移及dvl计算位移在载体系的映射构建所述矢量观测器，构建的所述矢量观测器为
其中表示k时刻dvl位移；ζ表示dvl比例因子误差；表示安装误差角对应的方向余弦矩阵；表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射。8.根据权利要求7所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：所述标定参数包括比例因子误差，根据所述矢量观测器计算所述标定参数时：对所述矢量观测器进行变换后：对上式两边求模值得：其中ζ表示dvl比例因子误差；表示k时刻dvl位移；表示k时刻dvl计算位移在载体系的映射。9.根据权利要求2所述的gnss位置法辅助dvl误差标定方法，其特征在于：所述基于梯度下降法计算所述安装误差角包括构造目标函数，根据构造的所述目标函数计算所述安装误差角。10.一种gnss位置法辅助dvl误差标定系统，其特征在于：包括，获取数据模块，所述获取数据模块用于根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的gnss数据及dvl数据；计算模块，所述计算模块用于根据所述gnss数据及dvl数据构建矢量观测器；标定模块，所述标定模块用于根据所述矢量观测器计算标定参数。
技术总结
本发明涉及一种GNSS位置法辅助DVL误差标定方法及系统，包括以下步骤：步骤S1：根据标定过程所需要的运动轨迹产生相应的GNSS数据及DVL数据；步骤S2：根据所述GNSS数据及DVL数据构建矢量观测器；步骤S3：根据所述矢量观测器计算标定参数，判断标定时间是否不小于标定过程的持续时间，若是，则输出标定参数，完成标定过程；若否，则返回至步骤S2。本发明的GNSS位置法辅助DVL误差标定方法及系统，由于利用GNSS位置法辅助DVL误差标定，能够减小标定过程中速度噪声干扰对标定结果的影响，提高标定精度。度。度。


技术研发人员：徐祥 陈洋豪 李凤 孙逸帆
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29