基于磁罗盘、DVL及GPS的组合导航系统设计.pdf

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2015年4月第2期现代导航·107·基于磁罗盘、DVL及GPS的组合导航系统设计葛锡云，岳丽娜，潘琼文，申高展(中国船舶重工集团第702研究所，无锡214081)摘要：针对水下潜器导航定位系统成本昂贵且水下定位精度不高的问题，设计了一种基于磁罗盘、多普勒测速仪(DVL)及全球卫．星定位系统(GPs)的低成本组合导航系统。采用分段缌}生插值拟合补偿法及声速补偿法，对磁罗盘和多普勒测速仪进行校准及补偿，提高了单个导航设备的精度。最后通过卡尔曼滤波进行数据融合，提高了整个导航系统的精度，实现了水下潜器的精确导航。关键词：水下潜器；磁罗盘；多普勒测速仪；全球卫星定位系统；卡尔曼滤波中图分类号：TN964文献标识码：A文章编号：1674．7976．(2015)02．107．05DesignofUnderwaterIntegratedNavigationSystemofUnderwaterVehicleBasedonMagneticCompass，DVLandGPSGEXiyun,YUELina,PANQiongwen,SHENGaozhanAbstract：Becausenavigationsystemofunderwatervehicleisexpensiveandtheaccuracyofunderwaterpositioningisnothigh，thisarticledesignedakindoflow—costintegratednavigationsystembasedonthemagneticcompass，DVLandglobalsatellitepositioningsystem．UsingpiecewiselinearinterpolationcompensationmethodandCompensationmethodofthespeedofsound．ThemagneticcompassandDVLiscalibratedandcompensated，theaccuracyofsinglenavigationequipmentisimproved．Finally,accordingtothedatafusionofKalmanfilter,theaccuracyoftheentirenavigationsystemisimprovedandtheprecisenavigationofunderwatervehicleisachieved．Keywords：UnderwaterVehicle；MagneticCompass；DVL；GPS；KalmanFilter所产生导航信息的连续性及稳定性较好等优点，能0引言够满足大多数水下潜器的导航要求，但其价格昂贵，误差随时间累积，且加热及初始对准时间较长J；水声定位系统可同时满足定位的高精度及远距目前水下潜器主要采用惯导系统(INS)、多普离的要求，并能弥补因无线电波在水中衰减而不能勒测速系统(DVL)、全球卫星定位系统(GPS)的用于水下载体定位的缺点，但水声定位系统普遍存组合导航模式或者采用惯导系统(INS)、多普勒测在价格昂贵，受使用环境影响较大，系统复杂，布速系统(DVL)、水声定位系统的组合导航模式【1]。阵困难等缺点。惯导系统具有隐蔽性好，不受外界干扰，自主性好，从降低成本的角度考虑，本文设计了一种采用能够提供载体的位置、速度、航向和姿态角信息，磁罗盘(MagneticCompass)、多普勒测速系统(DVL)及全球卫星定位系统(GPS)的组合导航收稿日期：2014．12．20。 现代导航2015盆系统，分析了磁罗盘及多普勒测速系统的误差来补偿、可以集成到控制回路中进行数据链接等优源，并采用分段线性插值拟合算法及声速补偿算法点，其航向测量范围为0~'360o，航向精度为士0．5o。来对磁罗盘和多普勒测速系统进行校准和补偿，以由于磁罗盘周围的磁场在使用环境中容易受实现短距离水下潜器在浅水环境下较高精度的导到各种铁磁材料及电磁设备的影响，这些铁磁材料航定位。和电磁设备将造成磁罗盘的航向测量产生误差，由这种原因引起的航向误差称为罗差。在不同的应用环境下，磁罗盘的罗差也不相同，其值有时可大到1水下潜器组合导航系统组成几十度【4】。因此需要对磁罗盘进行航向校准。磁罗盘的常用的校准方法有3种，如椭圆拟合考虑到浅水型短距离水下潜器的特点及低成法，最小二乘法等。椭圆拟合法插值校准法在自然本要求，本文采用磁罗盘、多普勒测速系统及全球条件下精度不高；最dxZ-乘法，在工程上使用广泛，卫星定位系统组合的导航模式，为水下潜器提供连但操作繁琐，效率低下。本文在插值校准法的基础续可靠，精度较高的导航定位信息，如图1所示。上延伸出一种校准精度较高，简单易行的分段线性当水下潜器在水下航行时，由磁罗盘为其提供航插值拟合的补偿方法。该方法能有效补偿磁罗盘的向，并采用分段线性插值拟合算法来实时修正磁罗航向误差，从而能够提高磁罗盘的航向精度。盘的航向误差；由多普勒测速系统为其提供速度信息，并采用声速补偿算法对多普勒速度进行修正；2．2分段线性插值拟合补偿法当水下潜器上浮至水面时，由GPS定位系统来修正在水下潜器安装磁罗盘应尽量避^开。铁番磁v性材翟∞昌其位置误差，从而保证水下潜器具有较高的导航定料及大功率设备，并水平固定磁∞罗盘∞，∞为帅更有∞效∞的∞∞特位精度。补偿磁罗盘在实际使用环境中所产生的罗差，采用高精度的GPS定位定向系统来为磁罗盘提供航向真值。用VB软件记录水下潜器在水面旋转一圈时，磁罗盘的航向值及高精度GPS定位定向系统的航向真值，如图2所示。罗盘航向值与GPS航向值对比图l水下潜器组合导航系统框图2磁罗盘及分段线性插值拟合算法2．1磁罗盘误差来源及补偿方法磁罗盘是通过检测地磁场效应来为载体提供方向的传感器，它广泛应用于飞行器、车辆、舰船O4080l20l6020o240280320360及战术导弹等各个领域的导航产品中，具有成本罗盘航向值(单位：。)低，体积小，重量轻，无累积误差，定向时间短，图2磁罗盘航向值与航向真值对比能够自动寻北等优点【3J。目前基于磁电阻传感器的电子罗盘具有体积由图2可知，磁罗盘的航向误差较大，但与航小、响应速度快等优点，优势明显，是电子罗盘的向真值对比，磁罗盘输出的航向值与航向真值基本发展方[41。组合导航系统选用美国Honeywell公成线性关系，因此采用线性插值拟合的方法对磁罗司生产的HMR3o00三轴磁阻式数字罗盘，它具有盘的航行值进行补偿，为提高精度，采用分段线性抗摇和抗振性，航向精度较高、对干扰磁场有电子插值拟合的补偿方法，如表1所示。 第2期葛锡云等：基于磁罗盘、DVL及GPS的组合导航系统设计表1分段线性插值拟合补偿算法表Af：f—f，：2fsin0，C磁罗盘航补偿公式GPS真值校准后的航向值()向值()当发射双波束时，则为：2．8Y=1．003x+169．09168．88Af：4f-V-sin029166．0195C．53l95．1629．9Y=0．987x+196．08l96．74式中：为多普勒频移(Hz)．厂为发射信号频率55l67．2221．83221．52(Hz)；f为接收到的回波信号频率(Hz)；V为60．9v=0．878x+226．65226．85船舶水平运动速度(m／s)；0为发射波束中心线与77．8173．3242．03241．70垂线间的夹角；c为声波在水中的传播速度(m／s)。88．7v=0．824x+251．43251．19多普勒测速计程仪的误差源有：(1)测量多普l16．2l78．0274．31273．87勒频谱之中心频率的误差；(2)海水声速变化所产120．7v=0．964x+277-32276．75生的测量误差；(3)换能器系统各射束倾斜角变化l39．4160．8295．66295．91产生的误差；(4)出现航速垂直分量所造成的误差；148．6v=1．18lx+306306．O9158．9130．4318_37318(5)声辐射载频的变化所产生的误差。．26161．8Y=1．493x+322．66322．28第l项误差在正确选择计程仪电路和参数时，178．580．56347．78347．23其误差是相当小的；第3项误差是由于换能器在制185-3v=1．706x．．1．15．1．27造和安装上的不准确引起的，但由于所采用的多普199．5317．522．4422．97勒测速计程仪内部有航向罗盘和姿态传感器并为212．9v=1．299x．44．6245．46多波束系统，并且在出厂时已经校正，因此所产生232．5231．270．7270．93的误差大大的减小；第4项是由于在波浪中航行时241．9v=0852x一80．7681．10．产生速度的垂直分量而造成的，但由于内部有姿态265．6125．1101．241O1_31传感器和为多波束系统，因此产生的误差也可以忽289．7Y=0．626x-l17-22l17．00318．264．43135_35134略不计；第5项在发射频率稳定时，其值非常小，．85339．1v=0可以忽略不计。第2项误差是主要考虑的误差，在．837．149_37149．04358．9134．8165-81165设计时一般按C=1500m／s来计算。声波在海水中传．62播时受到海水盐度和温度的影响，温度每升高1℃，由表1可得，采用分段线性插值拟合方法补偿则变化+3．2m／s；盐度增大10时，则变化+1．1m／s。后，磁罗盘航向误差基本保持在0．5度左右。声速偏离世界海洋平均最大可达-+-4％，如不采取专门的措施，速度误差可达4％，因此需要对所测量3多普勒测速仪及声速补偿法的速度进行补偿。海水中计算声速己厂的标准公式如下：信．要号士源的鬟发射竖频率苎有运要耋普，些接璺苎与：(p一)：Brv1(W(f，p)+z+A(Dt,(pt,)pS)+S：一个偏差，称为多普勒频移。⋯频移与相对运动的速度关系为：其中，C(f，p)=Co0+Colt+Co2t+C3t+Co4t+Co5t+(Cl。+Cl1f+Cl2t+C3f+C14t)p+(C2。+C2lt+Cz2t+C23t)p+(Cr30+C31t+C32f)p(1)a(t，p)=00+lt+2f+3t+04f+(Al0+A1lt+A12t+A13t。+l4f)p+(20+2lf+2f+23f)p+(∞+A3lt+A32t)p(2)B(t，p)=B00+Bolt+(l0+B11t)p(3)D(t，P)：Doo+Do1P(4) 现代导航2015笠GPS坐标与船位推算对比利用以上公式，即可计算出声波在海水中的速度为u(s，f，P)，则多普勒测速计程仪的速度修正值为：^gVV，：VU(S,t,p)测．(5)剖暴4数据融合轴坐标值(m)为提高整个导航定位系统的精度，采用卡尔曼图3卡尔曼滤波后导航定位数据与GPS对比图滤波算法对导航系统的数据进行融合滤波。对于该导航系统的线性离散系统模型可以用式(6)、式(7)5结{吾来表示[6-10】。本文设计了一种基于磁罗盘、多普勒测速仪及“．1十(6)．1全球卫星定位系统的组合导航系统。利用分段线性zHkXkk(插值拟合算法对磁罗盘进行航向校准，有效的弥补了工程上磁罗盘校准困难且校准精度不高的问题，式中，系统噪声一。和观测噪声的统计特性为：能够有效地将磁罗盘的航向输出误差控制在0．5。．。]=0，R~(k,j)=QkSu以内；利用声速补偿法对多普勒测速仪进行补偿，提高了多普勒测速仪的测速精度，有效的剔除了多t】1【】=o凡-，)=普勒测速仪的野值；最后采用Kalman滤波算法对整个导航系统进行数据融合滤波，使整合导航系统)0的误差达到收敛。经试验验证，该导航系统具有成卡尔曼滤波算法可由下述方程描述：本较低，简单实用，安全可靠，且导航定位精度较状态预测：高等优点。Xklk-1=~lB，．1毫(8)下一步研究工作：搭建该组合导航系统模型，并且采用更优化的滤波算法，来进一步提高系统的误差协方差预测：导航定位精度。eklk~k1llk-I“+川(9)-I-．1．1参考文献：状态估计矫正：[1]刘明雍，周志远，赵涛．联邦滤波器的SINS／GNS／DVL水毫Ii1+gk[Z-HkXklk-1】(10)下组合导航[J]．火力与指挥控制，2009，12(34)：4l-43．[2】杨新勇，黄圣国．磁航向测量系统误差修正方法研究[J]．误差协方差估计矫正：仪器仪表学报，2004，8(O4)：466-469．I=[I-KkH](11)[3]闻秋香，罗向前，孙君道．磁罗盘工程校准方法研究[J]．科学技术与工程，2011，11(28)：6936-6939．卡尔曼增益：[4]晁敏，蒋东方，文彩虹．磁罗盘误差分析与校准[J】．传感技。‰](12)术学报，2010，23(4)：525-531．[5]李希胜，王家鑫，汤程，王立锦，王绍纯．高精度磁电导航定位精度在没有校准的情况下，误差累积子罗盘的研制[J]．传感技术学报，2006，19(6)：2441—2444．随时间越来越大，经卡尔曼滤波后，水下导航定位[6】王圣杰，康凤举，谢攀，王彦恺．基于SINS／GPS／DVL坐标与GPS的航行轨迹，如图3所示，蓝色轨迹为组合导航定位半实物仿真系统研究[J】．计算机测量与控GPS坐标值，红色轨迹为导航定位坐标值，GPS的制，2011，19(6)：1475—1477．起点与船位推算的起点相重合，航行1h，随时间的(下转第115页)累积，导航定位在终点处的误差基本收敛。 第2期沈建飞等：VxWorks多线程串口解析GPS的应用<7>：使用卫星数量，从00到12(第一位是零3结束语也将传送)；<8>：水平精度因子，0．5到99．9；<9>：天线离海平面的高度：．9999．9到9999．9将VxWorks下多线程串口通信技术应用于信息处理系统中GPS消息解析处理模块，同时给出了米；M指单位米一种针对GPGGA格式数据解析处理算法，在与其<10>：大地水准面高度，．9999．9到9999．9米；它模块同步切合工作的情况下，能够实时、动态和：差分GPS数据期限(RTCMSC一104)，精确获取需要的GPS块数据。最后设立RTCM传送的秒数量，如不是差分定位则为空；参考文献：<12>：差分参考基站标号，从0000到1023(首[1]曹桂平等编著．VxWorks设备驱动开发详解[M】．北京：位0也将传送)；电子工业出版社，2011．语句结束标识符；XX从$开始到之间的所有[2】李方敏编著．VxWorks高级程序设计[M】．北京：清华大ASCII码的异或校验和回车学出版社，2004．换行[3】WindRiverSystemInc．vxworks_kemel_programmers_2-3．2GPGGA解析处理算法guide_6．6【Z】．USA：WindRiverSystemInc．串口监视线程接收到GPS接收机的数据后通[4】WindRiverSystemInc．vxworks_application_过调用GPGGA解析处理算法完成对于GPS定位和programmers_guide_6．6[z】．USA：WindRiverSystem时间信息的获取。算法详细处理流程如图3。Inc．虽然在对GPGGA数据块进行解析赋值可以简[5】孟英谦，王玲．嵌入式VxWorks实时操作系统中串口通单的使用sscanf函数赋值截取，但是本文不建议使信的实现[J]．兵工自动化，2003用，因为对于打断串口、GPGGA数据异常和数据[6】程敬原．VxWorks软件开发项目实例完全解析[M】．中的精确控制来说不能把握和保证，同时文中使用的国电力出版社，2005．解析算法通过程序实现能够可靠的运行于信息处理系统中得到实践认证。．^^^^^^^．^^^^^^^^^^^^^^，^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^．(上接第l10页)[9】李兵，战兴群，湛雷．基于GPS／SINS／里程计的车载组[7】杨艳娟，卞鸿巍，田蔚风，金志华．一种新的INS／GPS合导航研究[J]．测控技术，2012，31(11)：43_47．组合导航技术[J]．中国惯性技术学报，2014，12[10】张利民，张兴会，陈增强，李茜．自适应Kalman滤波的(2)：23．26．改进及其在SINS／GPS组合导航中的应用[J】．东南大学[8】钱正祥，杨鹭怡，崔卫兵．无人机GPS／INS组合导航卡学报，2013，43(7)：89．92．尔曼滤波技术[J]．仪器仪表学报，2003，24(4)：533．534．