一种组合导航系统在线标定方法、系统、存储介质及终端

1.本发明涉及在线标定技术领域，尤其涉及一种组合导航系统在线标定方法、系统、存储介质及终端。


背景技术：

2.多普勒计程仪(doppler velocity log，dvl)、全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)、天文导航系统(celestial navigation system，cns)都具有导航误差不随时间累积的特点，但仍然存到动态性能差和导航信息不全面的问题。捷联惯性导航系统(strap-down inertial navigation system，sins)具有动态性能好和导航信息全面的特点，但存在导航误差随时间累积的问题，因此现有的导航系统通常以组合导航的方式进行工作。组合导航技术主要是通过结合不同导航传感器的性能优势，将sins与其它导航系统进行数据融合，从而实现比单一导航传感器更好的导航性能。
3.sins的标定技术是通过对比sins器件的输出与已知参考信息，通过确定一组器件补偿参数来使sins器件输出与已知参考信息相吻合的过程。现有较成熟的sins标定方法主要包括分立式标定和系统级标定，均需要转台提供强转动激励和零速等参考信息，对转台依赖性较强，仍然属于内场标定方法。对于安装在载体上的sins，惯性元器件在使用一段时间后，经过老化、维护或更换器件等过程，惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)的标定参数都会发生变化。为了保证sins的导航精度，需要对sins进行重新标定。而现有的内场标定方法均需要将imu从载体上拆卸下来，给sins的标定带来了极大的困难。因此亟需研究一种在线标定方法，避免反复拆卸带来的麻烦，只需借助载体可实现的机动和外部环境带来的机动条件，实现标定参数的在线估计。
4.为了保证载体安全航行，通常会配备多个辅助导航系统，如dvl、gnss、cns等。针对不同应用场景和需求，可以构成sins/gnss、sins/dvl、sins/cns等多种组合导航模式。若在启动前对以上组合模式逐一进行在线标定，必然会耗时费力。另外，现有的组合导航在线标定方法存在部分标定参数不可估计和imu标度因数误差可观测性弱的问题。
5.考虑以上问题，结合各个传感器的性能优势和载体可利用的有效机动，研究一种多传感器组合导航在线标定方法，有望能实现组合导航系统的imu偏置、标度因数误差、各个辅助传感器标定参数的联合在线标定，提高标定效率和标定精度。然而，多传感器组合导航系统的在线标定通常会存在以下问题：(1)受载体机动条件限制，部分标定参数的可观测性未知，需要进行可观测性探究；(2)各导航传感器输出频率不一致，导致基于kalman滤波的信息融合方法不适用；(3)各传感器标定模型不同，存在由非线性引入的近似误差。因此，如何设计多传感器组合导航在线标定方法是个值得研究的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有组合导航系统存在的不足，提供了一种组合导航系统在线标定方法、系统、存储介质及终端。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.在第一方面，提供一种组合导航系统在线标定方法，所述方法包括：
9.步骤一、建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；
10.步骤二、对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；
11.步骤三、对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；
12.步骤四、对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。
13.作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，所述组合导航系统为sins/dvl/gnss/cns组合导航系统，其中，sins为主导航系统，dvl、gnss以及cns均为辅助导航系统。
14.作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，所述状态空间模型如下：
[0015][0016]
状态变量系统噪声w与w
ins
相同，
[0017][0018][0019][0020]
其中，εb为陀螺常值漂移，为加速度计偏置，δkg为陀螺仪的标度因数误差。
[0021]
作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，采用基于全反馈的误差校正方法对在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正。
[0022]
作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，采用基于序贯滤波的信息融合策略对不同导航传感器的输出进行信息融合。
[0023]
作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，所述对所述状态空间模型进行可观测性分析，包括：
[0024]
采用基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法对选定待估参数进行可观测性分析。
[0025]
作为一优选项，一种组合导航系统在线标定方法，所述基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法，包括：
[0026]
对步骤一所述的状态空间模型进行2000s的kalman滤波，记录协方差矩阵在滤波过程的变化情况；
[0027]
提取各个状态变量的可观测度：
[0028][0029]
其中p
0|0
为初始误差协方差矩阵，p
k|k
为第k个时刻状态均方根误差矩阵，i为x中的第i个状态；
[0030]
结合载体可能存在的机动，分别在静基座、匀速直行、加减速运动、摇摆基座、摇摆与线运动组合、航向变化与线运动组合机动形式下进行可观测度测试，获得各个状态在不同机动下的可观测度；
[0031]
筛选每个状态对应的最佳机动，将不同状态的最佳机动进行线性组合，设计在线标定的机动轨迹。
[0032]
在第二方面，提供一种组合导航系统在线标定系统，所述系统包括：
[0033]
状态空间模型构建模块，配置为建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；
[0034]
误差校正模块，配置为对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；
[0035]
信息融合模块，配置为对不同导航传感器的输出进行信息融合；
[0036]
机动轨迹设计模块，配置为对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。
[0037]
在第三方面，提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行任意一项所述一种组合导航系统在线标定方法中相关步骤。
[0038]
在第四方面，提供一种终端，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机指令，处理器运行计算机指令时执行任意一项所述一种组合导航系统在线标定方法中相关步骤。
[0039]
需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
[0040]
与现有技术相比，本发明有益效果是：
[0041]
(1)本发明建立的状态空间模型同时包含了辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移和标度因数误差、加速度计的偏置误差，引入了多个辅助传感器提供位置、速度和方位等参考信息，解决了现有组合导航系统在线标定方法存在的部分标定参数不可估和imu标度因数误差可观测性弱的问题。
[0042]
(2)本发明通过基于全反馈的误差校正方案，避免非线性带来标定参数估计精度下降的问题，在较大安装误差角(10度以内)的情况下，仍然能够实现陀螺仪标度因数误差的在线标定。
[0043]
(3)本发明采用基于状态均方根误差的可观测性分析方法设计了机动轨迹，能够确保各个标定参数具有强可观测性，并在标定过程中快速收敛，提高了组合导航系统的标定效率和精度。
[0044]
(4)本发明提供的sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定方法，不依赖于转台提供强转动激励和零速等参考信息，避免了现有内场标定或系统级标定拆卸导航传感器带来的麻烦，减少了操作负担和成本，能够在线联合标定出陀螺常值漂移、加速度计偏置、陀螺仪标度因数误差、gnss杆臂、dvl杆臂和安装误差角、cns方位安装误差角等参数。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例示出的一种组合导航系统在线标定方法的流程图；
[0046]
图2为本发明实施例示出的在线标定的误差校正框架图；
[0047]
图3为本发明实施例示出的序贯滤波器的更新流程图；
[0048]
图4为本发明实施例示出的针对船舶运动设计的运动轨迹图；
[0049]
图5为本发明实施例示出的仿真一中陀螺常值漂移的误差曲线；
[0050]
图6为本发明实施例示出的仿真一中加速度计偏置的误差曲线；
[0051]
图7为本发明实施例示出的仿真一中dvl安装误差角的估计结果；
[0052]
图8为本发明实施例示出的仿真一中陀螺仪标度因数误差的估计结果；
[0053]
图9为本发明实施例示出的仿真一中dvl杆臂的估计结果；
[0054]
图10为本发明实施例示出的仿真一中gnss杆臂的估计结果；
[0055]
图11为本发明实施例示出的仿真一中cns方位安装误差角的估计结果；
[0056]
图12为本发明实施例示出的仿真二中陀螺常值漂移的估计误差示意；
[0057]
图13为本发明实施例示出的仿真二中加速度计偏置的估计误差示意；
[0058]
图14为本发明实施例示出的仿真二中陀螺仪标度因数误差的估计误差示意；
[0059]
图15为本发明实施例示出的仿真二中dvl安装误差角的估计误差示意；
[0060]
图16为本发明实施例示出的仿真二中dvl杆臂的估计误差示意；
[0061]
图17为本发明实施例示出的仿真二中gnss杆臂的估计误差示意；
[0062]
图18为本发明实施例示出的仿真二中cns安装误差角的估计误差示意。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0065]
参照图1，在一示例性实施例中，提供一种组合导航系统在线标定方法，所述方法包括：
[0066]
步骤一、建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；
[0067]
步骤二、对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；
[0068]
步骤三、对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；
[0069]
步骤四、对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。
[0070]
其中，步骤一具体包括：
[0071]
1.构建sins器件误差模型
[0072]
当sins安装在载体上后，陀螺仪和加速度计的安装误差角不会随时间变化，因此陀螺仪和加速度计的器件误差仅与标度因数误差、陀螺常值漂移、加速度计偏置、陀螺仪和加速度计的随机噪声相关。n、b、e、i、d分别表示导航坐标系、载体坐标系、地球坐标系、惯性坐标系和dvl的参考坐标系。
[0073]
(1)陀螺仪输出误差模型
[0074]
首先，建立陀螺仪的输出误差的模型：
[0075][0076]
上式中表示载体系相对于惯性系转动的角速度在载体下的投影矢量，表示陀螺仪输出的载体角速度，εb为陀螺仪的常值漂移，ng为陀螺仪的随机噪声，diag[
·
]表示将列向量[
·
]转换为对角阵，记由陀螺仪输出误差模型可知，陀螺仪输出误差仅与陀螺仪标度因数误差参数δkg、载体的角速度陀螺常值漂移εb和陀螺仪输出随机噪声ng相关。
[0077]
(2)加速度计输出误差模型
[0078]
本发明采用加速度计输出误差δfb的模型为：
[0079][0080]
为加速度计的输出，为比力，和na分别为加表零偏和加速度计随机噪声。至此获得了sins的器件输出误差模型，其中包括imu的偏置误差、标度因数误差和随机噪声。
[0081]
2.构建sins导航误差方程。
[0082]
下面将建立的sins器件误差模型代入sins导航误差方程，获得标定所需的姿态误差方程、速度误差方程和位置误差方程，并整理成矩阵分块形式。姿态误差、速度误差和位置误差分别用符号φn、δvn、δp来表示，为捷联矩阵，为惯导解算的速度矢量，l、λ和h分别表示纬度、经度和高度，δl、δλ和δh分别为对应的误差项，ω
ie
、v
x
、vy分别表示地球自转角速率、东向速度和北向速度，rm和rn分别为卯酉圈半径和子午圈半径。
[0083]
(1)姿态误差方程
[0084]
将陀螺仪输出误差模型代入姿态误差方程，整理可得：
[0085][0086]
上式中：
[0087][0088][0089][0090][0091]
(2)速度误差方程
[0092]
将加速度计输出误差模型代入速度误差方程可得：
[0093][0094]
其中：
[0095][0096][0097]
(3)位置误差方程
[0098]
将位置误差方程整理成矩阵分块的形式，可得：
[0099][0100]
上式中：
[0101][0102]
3.构建辅助传感器误差模型
[0103]
sins作为载体的主导航系统，不需要向外辐射或接收信号，通常需要将sins提前标定(或者安装)到载体的质心位置。辅助传感器在安装过程中，会根据其测量原理的需求安装在不同的位置，比如gnss通常安装在载体的顶部，而dvl通常安装在载体的底部，因此会存在辅助传感器的安装轴线和质心与sins的载体坐标系不重合情况，本发明将这类误差统称为空间安装误差。空间安装误差的存在会导致辅助传感提供的辅助信息包含一定误差，容易降低组合导航系统的导航精度，因此在使用前需要对辅助传感器的空间安装误差进行标定。本发明建立了dvl、gnss和cns的量测模型，且同时考虑了gnss、dvl、cns相对于sins的空间安装误差。下面给出了各个辅助传感器的空间安装误差模型。
[0104]
(1)dvl的空间安装误差模型
[0105]
建立dvl输出速度的模型为：
[0106][0107]
为安装误差矩阵，通常将安装误差角θ近似为小角度，即由于dvl和sins在完成安装之后，其相对位置和相对方位通常不会变化，即dvl相对于sins的杆臂和安装误差角均为常值，则有：
[0108][0109]
[0110]
将sins解算的速度在载体系下的投影与dvl实际输出的速度作差，则可获得dvl输出速度的量测方程：
[0111][0112]
(2)gnss的空间安装误差模型
[0113]
gnss输出的位置和速度信息与sins的位置p和速度vn信息之间满足如下关系：
[0114][0115][0116]
gnss实际输出的速度和位置噪声分别为n
vg
和n
pg
，n
vg
和n
pg
是服从均值为0，方差分别为r
vg
和r
pg
的白噪声。由于gnss天线和sins在完成安装之后，其相对位置通常是不变的，即gnss相对sins的杆臂在载体系下为常值，则有：
[0117][0118]
将sins解算的速度和位置与gnss实际输出的速度和位置作差，则可获得gnss输出的量测方程：
[0119][0120][0121]
(3)cns的空间安装误差模型
[0122]
为了提高sins陀螺仪标度因数误差的可观测性，引入了cns输出作为辅助信息。cns输出航向信息的误差模型为：
[0123][0124]
其中为sins的真实方位角，θ
cz
为cns相对于sins的方位安装误差角，n
cns
为cns实际输出的噪声，服从均值为0，方差为r
cns
。由于sins和cns在完成安装之后，其相对位置不会发生变化，因此可以将cns相对于sins的方位安装误差角建立为常值模型：
[0125][0126]
将惯导解算的方位角与cns输出的方位角作差，可以获得cns输出方位角的量测方程：
[0127][0128]
其中φ
x
、φy和φz分别为东向、北向和天向的失准角误差，既有φn＝[φ
x φ
y φz]
t
。
[0129]
4.构建组合导航系统在线标定的状态空间模型
[0130]
(1)系统模型
[0131]
为了对陀螺常值漂移εb、加速度计偏置陀螺仪的标度因数误差δkg、δka进行标定，本发明建立状态空间模型如下:
[0132][0133]
其中：状态变量选为系统噪声w与w
ins
相同，
[0134][0135][0136][0137]
(2)量测模型
[0138]
考虑gnss、dvl和cns的采样频率存在互不相同的情况，将三个辅助传感器的量测模型分开建立。建立gnss输出的量测模型如下：
[0139]zvg
＝h
vg
x+n
vg
[0140]zpg
＝h
pg
x+n
pg
[0141]
其中：
[0142][0143]
根据推导的dvl输出速度误差方程，建立dvl输出的量测模型如下：
[0144]zdvl
＝h
dvl
x+n
dvl
[0145]
其中：
[0146][0147]
根据推导的cns输出误差方程，建立cns输出的量测模型如下：
[0148]zcns
＝h
cns
x+n
cns
[0149]
其中：
[0150][0151]
至此，完成了sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定模型的建立。现有的状态空间模型是建立在失准角、imu标定参数和辅助传感器安装误差角和杆臂为小量的情况下的。由于辅助传感器工作原理不同，需要根据其工作原理选择合适的安装位置，比如gnss天线通常安装在载体顶部以便于接收无线电信号，而dvl通常安装在载体底部便于接收底部返回的声波信号，因此可能出现较大的杆臂和安装误差角的情况。较大的空间安装误差容易引入量测模型非线性，导致量测模型不够准确，从而影响在线标定精度。因此需要进行步骤二来避免非线性带来的滤波精度下降的问题。
[0152]
所建立的在线标定模型虽然包含了imu标度因数误差和dvl杆臂误差的模型，但受载体可实现的机动条件限制，imu标度因数误差、dvl杆臂误差等标定参数的可观测性仍然
是未知的。因此有必要在载体可实现的机动轨迹下，进行步骤四，对所建立的sins/dvl/gnss/cns组合导航模型进行可观测性分析，并确定有效机动，为载体在线标定的运动轨迹设计提供依据。
[0153]
较优地，针对标定参数较大而引起非线性误差的问题，本发明设计基于全反馈的在线标定误差校正方案，克服了标定参数非线性引起的kalman滤波估计性能下降的问题。具体内容包括：
[0154]
通过建立的状态空间模型可知，辅助传感器的空间安装误差是未知的，则可能出现较大的空间安装误差，从而引入模型非线性带来近似误差。为了避免非线性带来标定参数估计精度下降的问题，本发明采用全反馈校正方法对在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正。步骤二提出的全反馈校正原理框图如图2所示。从图2可以看出，在线标定的误差校正框图中包含两条误差校正回路，一条是导航参数反馈校正回路，另一条是导航传感器的标定参数误差校正回路。
[0155]
在线标定模型中反馈校正的具体细节如下：
[0156]
(1)导航参数误差校正
[0157]
通过将导航误差估计值直接补偿到导航参数中，则可实现导航误差类状态变量的反馈校正，即：
[0158][0159]
其中和为tk时刻通过惯导解算更新的姿态矩阵、速度和位置，和则为导航误差校正后的姿态矩阵、速度和位置。导航误差类状态变量的反馈校正则是将误差校正后的导航参数和作为下一时刻惯导解算更新的初值。
[0160]
(2)标定参数误差校正
[0161]
对于标定参数类状态变量，首先将估计的标定参数误差补偿到标定参数中，然后将补偿后的标定参数反馈到各传感器的输出，因此反馈校正中的kalman滤波估计的是各标定参数的残余误差。本发明将反馈校正中的陀螺常值漂移、加速度计偏置、陀螺仪标度因数误差、dvl杆臂和安装误差角、gnss杆臂和cns安装误差角的误差量分别定义为则k时刻估计的标定参数误差与k-1时刻估计的标定参数的关系为：
[0162][0163]
其中为上一时刻估计的标定参
数，为当前时刻补偿后的标定参数。估计的标定参数还需实时反馈到各传感器输出误差模型，其具体反馈补偿过程如下：
[0164][0165]
其中和分别为补偿后的陀螺仪输出、加速度计输出、dvl输出、gnss输出和cns输出。通过补偿后的陀螺仪输出惯导解算获得的可得角速度
[0166][0167]
通过最新估计的安装误差角可以获得补偿的安装误差矩阵
[0168]
当kalman滤波估计的标定参数误差已经补偿到标定参数中，则可以认为当前时刻估计的标定参数残余误差为零，因此需要将下一时刻对应的滤波状态置零。
[0169]
较优地，针对各导航传感器输出频率不同的问题，本发明通过基于序贯滤波的信息融合策略，实现了不同频率下组合导航系统的信息融合，具体包括：
[0170]
sins、dvl、gnss和cns的输出频率不能保证完全一致，通常sins的输出频率要远高于辅助传感器的输出频率，因此需要选择合适的信息融合方法来实现组合导航系统的在线标定。
[0171]
本发明采用序贯滤波器来进行信息融合，可以将量测更新分成n个子量测进行更新。对于k时刻到达的所有子量测，按递推最小二乘估计进行量测更新，其更新流程图如图3所示。
[0172]
较优地，针对部分标定参数可观性未知的问题，采用基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法对选定待估参数进行可观测性分析，根据可观测性分析设计机动轨迹，具体包括：
[0173]
对步骤一所述的在线标定状态空间模型进行2000s的kalman滤波，记录协方差矩阵在滤波过程的变化情况；
[0174]
采用基于状态均方根误差的可观测度分析方法，提取各个状态变量的可观测度：
[0175][0176]
其中p
0|0
为初始误差协方差矩阵，p
k|k
为第k个时刻状态均方根误差矩阵，i为x中的
第i个状态；
[0177]
结合载体可能存在的机动，分别在静基座、匀速直行、加减速运动、摇摆基座、摇摆与线运动组合、航向变化与线运动组合机动形式下进行可观测度测试，获得各个状态在不同机动下的可观测度；
[0178]
筛选每个状态对应的最佳机动，将不同状态的最佳机动进行线性组合，设计在线标定的机动轨迹。
[0179]
由于机动轨迹包含的机动形式是多样的，不同的组合顺序以及运动时间长度便可以设计不同的机动轨迹，因此本发明只是为在线标定机动轨迹设计提供了一种设计的思路，在实际应用中可以针对具体情况和需求设计更合理的机动轨迹。
[0180]
在另一示例性实施例中，将上述方法结合一个实际应用场景进行阐述。为了保证船舶安全航行，通常会配备多个辅助导航系统，如dvl、gnss、cns等，gnss可以提供速度和位置信息，dvl可以在gnss拒止情况下为sins提供速度校正信息，cns可以在天气较好的情况下为sins提供高精度的航向校正信息。针对不同应用场景和需求，可以构成sins/gnss、sins/dvl、sins/cns等多种组合导航模式。若在启动前对以上组合模式逐一进行在线标定，必然会耗时费力。现有的组合导航系统在线标定方法致力于标定出辅助传感器相对imu的空间安装误差，并未充分利用船舶可用的辅助导航信息，存在部分标定参数不可估计和imu标度因数误差可观测性弱的问题。
[0181]
船用sins/dvl/gnss/cns组合导航系统的状态可以分为导航误差类和标定参数类，其中姿态误差、速度误差和位置误差为导航误差类状态变量，残余的陀螺常值漂移、加速度计偏置、dvl杆臂和安装误差角、gnss杆臂和cns安装误差角均为标定参数类状态变量。具体校正细节见步骤二。
[0182]
接着，通过步骤三所述的基于序贯滤波的信息融合策略，实现不同频率下组合导航系统的信息融合，同时避免了标定参数非线性引起的kalman滤波估计性能下降的问题。
[0183]
然后，针对部分标定参数可观性未知的问题，采用步骤四所述的基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法对选定待估参数进行可观测性分析。根据可观测性分析结果，将每种状态在的可观测性机动及最佳可观测性机动进行了总结，如表1所示。表1中将静基座、匀速运动、加减速运动、摇摆基座、摇摆运动与匀速运动相结合、转向运动与匀速运动相结合的六种运动方式分别标记为运动1-运动6。
[0184]
表1各个标定参数的可观测性测试结果
[0185]
[0186][0187]
从表1可以看出，各标定参数分别在运动3-运动6的状态下获得了最强的可观测度。为了保证每个状态都能被快速激励出来，可以在摇摆基座与线运动组合的基础上增加几组加减速运动和航向转弯运动，从而使所有状态都受到对应最佳机动的激励。基于此，本实施例按船舶较容易实现的运动顺序，设计了在线标定的运动轨迹如表2所示，并在其基础上叠加了摇摆运动。
[0188]
表2机动轨迹的具体运动情况
[0189][0190][0191]
表2中船舶运动的线速度和角速度是根据海试实验总结的经验值来设置的，所设
计的机动轨迹中的线速度和角速度的均小于等于10m/s和2
°
/s，符合船舶在海上航行时可实现的机动条件。所设计的运动轨迹如图4所示。所设计的运动轨迹均由简单的匀速运动、加减速运动、摇摆运动、转弯运动组成，包含了所有状态被观测所需的最佳机动，符合sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定的机动轨迹需求。
[0192]
最后，通过仿真实验验证了提出的sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定方法的有效性和正确性。仿真中将下面三种方案进行了对比：
[0193]
方案一：对现有sins/dvl组合导航模型进行在线标定，其中现有sins/dvl组合导航模型仅建模陀螺常值漂移、加速度计偏置、dvl安装误差角这些标定参数，未考虑陀螺仪标度因数误差和dvl杆臂误差。
[0194]
方案二：对本发明步骤一所述的模型进行在线标定，采用部分反馈的方式进行误差校正与补偿，选择姿态、速度、位置进行反馈校正，其余状态只进行输出校正。
[0195]
方案三：对本发明步骤一所述的模型进行在线标定，采用步骤二所述的全反馈误差校正方案进行误差校正与补偿，将所有状态参数进行反馈校正。
[0196]
本实施例仿真实验中sins、dvl、gnss和cns的输出频率分别设为100hz、1hz、10hz和0.1hz，因此采用序贯滤波器进行信息融合，其中反馈校正频率与辅助传感器的最低输出频率相同。运动轨迹的初始位置为：纬度45.78
°
、经度126.67
°
，初始速度为0m/s，初始姿态为[0
°
；0
°
；-30
°
]。在实际中，初始对准可以确保姿态误差角φn为小角度，但安装误差角和杆臂是未知的，则可能存在较大安装误差角和杆臂的情况，因此本实施例进行了两组不同非线性程度的在线标定仿真实验。其中仿真一为小安装误差角和杆臂下的在线标定测试，仿真二为较大安装误差角和杆臂下的在线标定测试。
[0197]
仿真中imu精度参数设置如表3所示，辅助传感器精度设置如表4所示。
[0198]
表3仿真中imu的精度参数设置
[0199][0200]
表4辅助传感器的精度设置
[0201][0202]
图5-图7为仿真一的陀螺常值漂移、加速度计零偏和dvl安装误差角在线标定结果，其中黑色虚线为方案一的在线标定结果，蓝色点划线为方案二的在线标定结果，红色实线为方案三的在线标定结果。
[0203]
从图5-图7可以看出，在小安装误差和杆臂情况下，方案二和方案三在imu标定参数和dvl安装误差角上的估计效果几乎无差别，但方案一估计的imu标定参数和dvl安装误差角具有较低的精度，且方案一无法估计出z轴陀螺常值漂移。从仿真一的上述实验结果可以看出，相比方案一，方案二和方案三考虑了陀螺仪标度因数误差、dvl杆臂误差，且引入了gnss和cns提供速度位置和方位信息参考，提高了imu标定参数的和dvl安装误差角的可观测度和估计精度。
[0204]
从图8-11可以看出，在小安装误差和杆臂情况下，方案二和方案三均能估计出陀螺仪标度因数误差、dvl杆臂误差、gnss杆臂误差和cns方位安装误差角，其中方案三估计的dvl杆臂精度略高于方案三。实施例的仿真一说明了本发明步骤一所建立的在线标定模型的正确性和有效性，同时也验证了所设计的机动轨迹的有效性。
[0205]
进一步地，为了展示本发明步骤二设计的基于全反馈的误差校正方案的有益效果，仿真二中imu参数和辅助传感器参数设置如表3和表4所示，在较大安装误差角和杆臂情况下的在线标定效果验证，将方案二和方案三进行了对比。图12-图18为仿真二的实验结果。
[0206]
从图12-图18可以看出，方案二和方案三的gnss杆臂在线标定精度相当，均能快速收敛至0.01m以内。方案二陀螺常值漂移、加速度计偏置和cns安装误差角的在线标定精度略低于方案三，但仍然能在2小时内达到较高的标定精度，其中陀螺常值能收敛至0.001
°
/h以内，加速度计偏置能收敛至2ug以内，cns安装误差角收敛至0.01
°
以内。方案二估计的陀螺仪标度因数误差精度明显低于方案三，其中方案二估计的陀螺仪标度因数误差有较大的偏差，而方案三估计的陀螺仪标度因数误差均能收敛至15ppm以内。方案二估计的dvl安装误差角和杆臂的在标定精度明显低于方案三，且方案二估计的安装误差角和杆臂标定结果具有较大的残余误差。其中方案二估计的dvl安装误差角θ
x
、θy和θz的残余误差角分别在0.04
°
、0.09
°
和0.39
°
以上，而方案三估计的三个安装误差角θ
x
、θy和θz均收敛至了0.04
°
以内，分别收敛至了0.02
°
、0.03
°
和0.01
°
。方案二估计的dvl的x、y、z轴杆臂的残余误差分别
在0.9m、0.3m和0.02m以上，而方案三估计的dvl三个轴的杆臂均收敛至0.02m以内。这主要是由于方案三采用了本发明步骤二所述的基于全反馈的误差校正方案，将估计的杆臂误差和残余的安装误差角逐渐压缩为小量，从而抑制了非线性误差带来的影响。
[0207]
综合仿真一和仿真二的实验结果可知，按本发明步骤四所设计的机动轨迹能够有效激励出陀螺常值漂移、加速度计偏置、陀螺仪标度因数误差、gnss杆臂、dvl杆臂和安装误差角、cns方位安装误差角，说明所设计的机动轨迹是有效的，且所设计的轨迹均是按照船舶可能出现的运动状态进行设计的，因此该轨迹适用于船用sins/dvl/gnss/cns组合导航系统的在线标定。综合仿真结果可知，采用姿态、速度和位置的部分反馈就可以实现小安装误差和杆臂情况下的在线标定，且标定结果与全参数反馈效果相当。对于辅助传感器标定参数较大而引起非线性的情况，采用全参数反馈校正方案能够实现较大安装误差和杆臂情况下的在线标定，且标定精度与小安装误差和杆臂情况的标定精度相当。考虑船用sins/dvl/gnss/cns组合导航系统的可能存在辅助传感器标定参数较大而引起非线性的情况，不失一般性，采用本发明步骤一至步骤四设计的sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定方法能够获得更好的标定效果。
[0208]
仿真结果表明，本发明提出的sins/dvl/gnss/cns组合导航系统在线标定方法能够抑制标定参数非线性带来的影响，实现了陀螺常值漂移、加速度计偏置、陀螺仪标度因数误差、gnss杆臂、dvl杆臂和安装误差角和cns方位安装误差角的联合在线标定，提高了船用组合导航系统的标定效率和精度。若组合导航系统存在更多的导航传感器，也可以采用本发明的在线标定方法设计思路，提高组合导航在线标定效率。
[0209]
在另一示例性实施例中，提供一种组合导航系统在线标定系统，所述系统包括：
[0210]
状态空间模型构建模块，配置为建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；
[0211]
误差校正模块，配置为对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；
[0212]
信息融合模块，配置为对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；
[0213]
机动轨迹设计模块，配置为对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。
[0214]
在另一示例性实施例中，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述一种组合导航系统在线标定方法的相关步骤。
[0215]
基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0216]
在另一示例性实施例中，本发明提供一种终端，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机指令，处理器运行计算机指令时执行所述一种组合导航系统在线标定方法的相关步骤。
[0217]
处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。
[0218]
适合用于执行计算机程序的处理器包括，例如通用和/或专用微处理器，或任何其他类型的中央处理单元。通常，中央处理单元将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。计算机的基本组件包括用于实施或执行指令的中央处理单元以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘等，或者计算机将可操作地与此大容量存储设备耦接以从其接收数据或向其传送数据，抑或两种情况兼而有之。然而，计算机不是必须具有这样的设备。此外，计算机可以嵌入在另一设备中，例如移动电话、个人数字助理(pda)、移动音频或视频播放器、游戏操纵台、全球定位系统(gps)接收机、或例如通用串行总线(usb)闪存驱动器的便携式存储设备，仅举几例。
[0219]
虽然本说明书包含许多具体实施细节，但是这些不应被解释为限制任何发明的范围或所要求保护的范围，而是主要用于描述特定发明的具体实施例的特征。本说明书内在多个实施例中描述的某些特征也可以在单个实施例中被组合实施。另一方面，在单个实施例中描述的各种特征也可以在多个实施例中分开实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可以如上所述在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变型。
[0220]
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序执行或顺次执行、或者要求所有例示的操作被执行，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统模块和组件的分离不应被理解为在所有实施例中均需要这样的分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中，或者封装成多个软件产品。
[0221]
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一、建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；步骤二、对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；步骤三、对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；步骤四、对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，所述组合导航系统为sins/dvl/gnss/cns组合导航系统，其中，sins为主导航系统，dvl、gnss以及cns均为辅助导航系统。3.根据权利要求1所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，所述状态空间模型如下：状态变量系统噪声w与w
ins
相同，x
ins
＝[(φ
n
)
t (δv
n
)
t δp
t (ε
b
)
t (δk
g
)
t (
▽
b
)
t
]其中，ε
b
为陀螺常值漂移，
▽
b
为加速度计偏置，δk
g
为陀螺仪的标度因数误差。4.根据权利要求1所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，采用基于全反馈的误差校正方法对在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正。5.根据权利要求1所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，采用基于序贯滤波的信息融合策略对不同导航传感器的输出进行信息融合。6.根据权利要求1所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，所述对所述状态空间模型进行可观测性分析，包括：采用基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法对选定待估参数进行可观测性分析。7.根据权利要求6所述的一种组合导航系统在线标定方法，其特征在于，所述基于状态均方根误差阵的可观测性分析方法，包括：对步骤一所述的状态空间模型进行2000s的kalman滤波，记录协方差矩阵在滤波过程的变化情况；提取各个状态变量的可观测度：其中p
0|0
为初始误差协方差矩阵，p
k|k
为第k个时刻状态均方根误差矩阵，i为x中的第i个状态；结合载体可能存在的机动，分别在静基座、匀速直行、加减速运动、摇摆基座、摇摆与线
运动组合、航向变化与线运动组合机动形式下进行可观测度测试，获得各个状态在不同机动下的可观测度；筛选每个状态对应的最佳机动，将不同状态的最佳机动进行线性组合，设计在线标定的机动轨迹。8.一种组合导航系统在线标定系统，其特征在于，所述系统包括：状态空间模型构建模块，配置为建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；误差校正模块，配置为对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；信息融合模块，配置为对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；机动轨迹设计模块，配置为对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。9.一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行权利要求1-7中任意一项所述一种组合导航系统在线标定方法中相关步骤。10.一种终端，包括存储器和处理器，存储器上存储有可在处理器上运行的计算机指令，其特征在于，处理器运行计算机指令时执行权利要求1-7中任意一项所述一种组合导航系统在线标定方法中相关步骤。

技术总结
本发明公开了一种组合导航系统在线标定方法、系统、存储介质及终端，包括：建立组合导航系统在线标定的状态空间模型，所述状态空间模型中包含辅助传感器的空间安装误差、陀螺仪的常值漂移、标度因数误差以及加速度计的偏置误差，同时引入多个辅助传感器提供的参考信息；对所述在线标定模型的标定参数和导航参数进行误差校正；对不同导航传感器的输出信息进行信息融合；对所述状态空间模型进行可观测性分析并设计机动轨迹。本发明能够解决现有组合导航系统在线标定方法存在的部分标定参数不可估和IMU标度因数误差可观测性弱的问题，同时提高了组合导航系统的标定效率和精度。时提高了组合导航系统的标定效率和精度。时提高了组合导航系统的标定效率和精度。


技术研发人员：罗莉 唐琳 宋普查 陈刚 辛晓军
受保护的技术使用者：成都大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/20