SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的標定

于玖成，何昆鵬，王曉雪

（1.重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司，重慶 400039； 2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

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SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的標定

于玖成1，何昆鵬2，王曉雪2

（1.重慶航天火箭電子技術(shù)有限公司，重慶 400039； 2.哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

為提高智能水下機器人中的SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度，需要準確標定出捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）和多普勒計程儀（DVL）之間的安裝誤差角以及DVL的刻度系數(shù)。該方法只需AUV潛水一段時間后浮出水面2～3次，以接收的GPS定位信息作為參照，經(jīng)過迭代計算，即可標定出DVL速度刻度系數(shù)和SINS與DVL之間的安裝誤差角。試驗結(jié)果表明，用該方法能簡單有效地標定出組合導(dǎo)航系統(tǒng)的各項誤差參數(shù)，而且在多次標定修正后，定位精度優(yōu)于7 m，具有較高的實用價值。

組合導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航；多普勒計程儀；標定；安裝誤差

自主式水下機器人（autonomous underwater vehicle, AUV）體積小、機動靈活、活動范圍廣，在海洋開發(fā)和國防領(lǐng)域的作用越來越突出[1-3]。隨著AUV應(yīng)用的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸擴展，其作業(yè)范圍也越來越大，對導(dǎo)航系統(tǒng)的要求也越來越高，要求必須具有自主、遠程和高精度、長時間工作的能力[4-5]。因為高精度導(dǎo)航是AUV獲取有效信息的必要條件，決定了AUV能否安全作業(yè)及返回[6]。AUV常用的導(dǎo)航方式大體上有如下幾種：GPS導(dǎo)航、航跡推算、慣性導(dǎo)航、地形匹配、重力場導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等[7]。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）不需要任何外來信息，也不向外輻射任何信息，可適用于任何工作環(huán)境[11]，能實時輸出載體的位置、速度和姿態(tài)等多種導(dǎo)航參數(shù)[12]，并且導(dǎo)航數(shù)據(jù)平穩(wěn)，短期穩(wěn)定性好[13]。

由光纖陀螺儀構(gòu)成的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）是新一代慣性導(dǎo)航設(shè)備，具有體積小、精度高、啟動時間快等優(yōu)點，因此，以光纖陀螺捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)為核心的導(dǎo)航系統(tǒng)能夠較好地滿足AUV自主導(dǎo)航的要求。但是SINS的誤差隨時間積累，為了進一步提高水下航行器長時間自主導(dǎo)航的精度，一般采用SINS與多普勒計程儀（DVL）組合的方式來提高系統(tǒng)精度。例如Simrad公司的HUGIN系列AUV導(dǎo)航系統(tǒng)和意大利的SARA號AUV導(dǎo)航系統(tǒng)均采用了SINS/DVL組合導(dǎo)航技術(shù)。Kearfott與RDI公司聯(lián)合研發(fā)的新一代的SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)KN6051的定位精度為0.5%航程（CEP），其中GPS、INS和DVL三者的數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波器在內(nèi)部進行融合。對于SIN/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)，如何準確標定出SINS與DVL之間的安裝誤差角及DVL的刻度系數(shù)，是確保組合導(dǎo)航系統(tǒng)能擁有較高精度的前提條件之一[14]。文中通過大量的試驗，總結(jié)出一種簡單實用的標定方法，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。在2012年美國舉辦的第15屆國際水下機器人競賽中，由哈爾濱工程大學研制的裝有SIN/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的智能水下機器人“敖明”號奪得了全球第4名，這也是亞洲參賽團隊在歷年比賽中的最好成績。

1 SINS/DVL 組合導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 SINS組成及性能

SINS選用的石英撓性加速度計和光纖陀螺主要性能指標如表1、2所示。

表1 加速度計性能指標

Table 1 The performance of accelerometer in SINS

類型性能指標輸入量程/g±25二階非線性系數(shù)/（μg·g-2）<40溫度系數(shù)偏值/（μg·°C-1）<30溫度系數(shù)標度因數(shù)/（ppm·°C-1）<30零偏月穩(wěn)定性/μg<50刻度系數(shù)月穩(wěn)定性/ppm<30

表2 陀螺性能指標Table 2 The performance of FoG in SINS

SINS如圖1所示，能快速測量AUV的姿態(tài)、速度和位置等導(dǎo)航信息，其性能指標如表3所示。

圖1 光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)外觀示意圖Fig.1 The appearance of SINS based on FoG

表3 SINS 性能指標Table 3 The performance of SINS

1.2 DVL性能

AUV選用LinkQuest公司生產(chǎn)的NavQuest600型DVL，該DVL廣泛應(yīng)用于AUV的水下導(dǎo)航、ROV基站保持，ROV速度、高度監(jiān)測、海流監(jiān)測、水下潛器導(dǎo)航、潛水員導(dǎo)航等。NavQuest型DVL主要性能指標如表4所示。

表4 NavQuest 600性能指標Table 4 The performance of NavQuest 600

2 SINS及DVL的誤差參數(shù)標定

圖2為由哈爾濱工程大學自行研制的AUV，密封艙內(nèi)部裝有光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS），DVL裝在AUV的前端正下方位置。

圖2 安裝SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV

為確保組合導(dǎo)航系統(tǒng)能具有較高的定位精度，DVL及SINS在安裝后都需要進行標定，得到其安裝誤差以及刻度系數(shù)，使組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出更接近載體的真實運動情況。本文選取多點參考定位方法，其原理是利用GPS系統(tǒng)測量AUV準確的經(jīng)緯度和速度信息來估計DVL和SINS的各項誤差。

2.1 DVL安裝誤差標定

如圖3所示，標定時選擇一片開闊水域，設(shè)計AUV的預(yù)定航線為OA，盡量保持勻速直航，在試航一段時間（如5 min），到達初始測量就位點B1，開始標定，此時AUV游弋的點設(shè)為Bi（i=1,2，…），從B1點開始同時記錄GPS時間、GPS定位數(shù)據(jù)和組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)，共記錄若干組數(shù)據(jù)（B1，B2，B3，…）。一般情況下，該航段能正常接收GPS定位信號。但由于受風浪的影響，AUV裝載的GPS接收機效果可能比較差，因此，需要根據(jù)實際情況，設(shè)定采集數(shù)據(jù)時間，確保接收到高質(zhì)量的定位信號后才進入下潛水航行階段，同時用有效的GPS信息更新SINS位置信息。

圖3 GPS參考定位試驗示意圖

然后AUV下潛，DVL正常工作，將所測量的速度輸入到SINS，組合后得到組合定位信息，此時，AUV無法收到有效的GPS信息。在標定期間盡量保持航速、航向不變，由于水流的作用，AUV實際上沿著BC方向航行?？紤]到實際應(yīng)用中對位置、速度精度的要求，需從B1開始航行直線距離大于5 km，即到達C1點，AUV浮出水面，重新接收GPS位置信息，從C1點開始按照預(yù)定程序記錄GPS時間、位置和速度等數(shù)據(jù)，設(shè)為C1，C2，C3，…，這樣就完成了一條測線。據(jù)此往返多次，即可完成若干條測線的標校工作，整個試驗的工作流程如圖4。

圖4 安裝誤差角標校流程圖

為了使得測量的數(shù)據(jù)更準確，需要AUV做多條次航行，而且入水和出水點的直線距離盡可能遠。AUV受水流的干擾，有可能在一片區(qū)域內(nèi)游動，由一條測線就將得到若干組偏角值，因此將全部測線中的偏角求平均就得到了需要的安裝偏角。如果條件允許，可以使AUV往返2～3次，采用逐次逼近的方法，可以精確修正安裝誤差角。該誤差角精度有限，可以在后續(xù)的SINS安裝誤差角標定中得到進一步修正。

2.2 DVL刻度系數(shù)的標定

DVL在水中由于受水溫、鹽度和環(huán)境噪聲的影響，而且本身的信號存在衰減、散射等情況，因此，測量的速度與真實值存在差異，此時，可以引入一個系數(shù)k對DVL的速度進行綜合誤差修正。在一條測線上可以測量得到通過A1C1,A2C2，…，AiCi測量段的平均速度vtrue和計程儀速度vDVL，則速度修正系數(shù)為

1+k=vture/VDVL

（1）

對多條測線測量的k值求平均就可以得到所需的速度修正系數(shù)。通過上述試驗，即可得到DVL速度的刻度誤差修正系數(shù)。

2.3 SINS安裝誤差標定

SINS在裝上AUV時不可避免地存在安裝偏差，這部分安裝偏差也會加入到最終的系統(tǒng)誤差中去，不容忽視。SINS安裝誤差可采用光學棱鏡瞄準的方法，在安裝之前盡可能使捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的安裝與AUV的艏艉線保持一致。在精確細致安裝的基礎(chǔ)上，再引入GPS信號，通過設(shè)計合理的航行軌跡，實時采集AUV精確的位置信息，完成對SINS的安裝誤差的標定。

如圖4所示，AUV航行于在靜態(tài)水面上，由O點出發(fā)向A點行駛。由于SINS存在有安裝誤差，導(dǎo)致AUV偏離預(yù)定航跡OA，其真實航跡為OB。因此，圖中預(yù)定航跡OA與真實航跡OB的夾角α1就是SINS的安裝誤差角。A點和B點坐標可由GPS定位系統(tǒng)得知，計算得知OA與AB的距離，因此有α1=tan-1（AB/OA）。在B點重復(fù)以上實驗，能夠計算得出安裝誤差的小角度修正值α2、α3,則安裝誤差角為：α=α1+α2+α3。修正2～3次后，如果定位誤差達到設(shè)定閾值，即可認為SINS的安裝誤差已經(jīng)基本標定準確。

圖5 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)安裝誤差標定圖

3 試驗驗證

針對實際航行環(huán)境，設(shè)計一系列DVL性能測試試驗及水下航行試驗，來驗證用上述標定方法的可行性。

3.1 DVL性能測試試驗

標定DVL的安裝誤差角及其刻度系數(shù)后，以GPS的速度作為參照，測試DVL的性能，并標定DVL的速度誤差。由于所選用的GPS定位精度優(yōu)于5 m，速度精度優(yōu)于0.1 m/s，該誤差相對于組合導(dǎo)航系統(tǒng)較小，因此可以將其視為基準信號。

該試驗可初步標定出DVL的安裝誤差及刻度系數(shù)，試驗結(jié)果如圖6所示，DVL的測速精度在穩(wěn)定航行階段能夠保持在0.2 m/s（1σ）之內(nèi)，基本符合組合導(dǎo)航定位要求。試驗也發(fā)現(xiàn)，DVL在AUV系泊狀態(tài)，噪聲比較大，因此可以通過SINS的姿態(tài)、角速度等信息判斷，在機動小時，適當增加低通濾波環(huán)節(jié)，減少DVL的速度噪聲。

3.2 水下試驗

將SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝于AUV內(nèi)部，配重后并檢查整個潛器的氣密性，符合要求后，進行了第1次水下試航，其航行結(jié)果如圖7所示。

圖6 DVL粗標定試驗結(jié)果

圖7 精確標定前航跡對比

由圖7可知，當AUV浮出水面時，由于尚未對SINS進行安裝誤差標定，因此組合導(dǎo)航系統(tǒng)的推算位置與GPS的定位信息差別較大。因此對SINS進行第2次安裝誤差標定修正，以提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。其中，先對SINS的安裝誤差進行大角度修正，再對SINS的安裝誤差進行第2、3次等小角度的修正。多次標定后的水下航行試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 精確標定后GPS與組合導(dǎo)航系統(tǒng)航跡對比

對SINS進行安裝誤差的粗、精兩級標定后，又進行了多個條次的試航，以檢驗標定的效果，當AUV浮出水面時，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的推算位置與GPS的定位信息基本一致，但仍存在少許偏差。將標定的3個條次和驗證的條次試驗結(jié)果列入表5中，試驗結(jié)果比較理想，定位誤差優(yōu)于10 m，達到了預(yù)定目標。

由表5可知，隨著SINS/DVL的安裝誤差和DVL速度刻度系數(shù)逐步精確，組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度逐步提高。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，認為AUV在較長航行時間后（比如>1 h），由于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差一般遠大于GPS定位的精度，可以以GPS位置信息作為基準信息。但是，當組合導(dǎo)航系統(tǒng)的長航時定位精度接近GPS本身的定位精度時，可以結(jié)束標定，再次修正意義不大。

表5 標定和驗證試驗條次試驗結(jié)果Table 5 The result of AUV position test

4 結(jié)束語

選取了多點參考位置方法，通過對比GPS與SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的位置，反復(fù)迭代計算SINS/DVL的安裝誤差以及DVL的刻度系數(shù)。由實際的水下航行試驗結(jié)果可知，SINS/DVL的組合導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過標定后，能夠保證較高的導(dǎo)航定位精度，該方法簡單、有效，具有一定的實用價值。

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于玖成，男，1984生，助理工程師，主要研究方向為控制理論與控制工程。

何昆鵬，男，1979生，副研究員，主要研究方向為新性慣性器件及高精度導(dǎo)航。承擔國家自然科學基金等項目多項，獲黑龍江省科技進步一等獎和國防科技進步二等獎各1次，發(fā)表學術(shù)論文30余篇。

王曉雪，女，1989生，碩士研究生，主要研究方向為捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航技術(shù)。

Calibration for strapdown inertia navigation/Doppler velocity log integrated navigation system

YU Jiucheng， HE Kunpeng， WANG Xiaoxue

（1. Chongqing Aerospace Launch Vehicle Electronic Technology Co.,Ltd, Chongqing 400039, China; 2. College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China）

To ensure the position accuracy of the integrated navigation system consist of strapdown inertial navigation system（SINS） and Doppler velocity log in an autonomous underwater vehicle （AUV）, it is necessary to accurately calibrate the misalignment angle between SINS and DVL and the scale coefficient of DVL. This calibration method only needs an AUV to expose above water surface for 2～3 times after having dived for about an hour. With the received GPS position as a reference information, the scale coefficient of DVL and the misalignment angle between SINS and DVL can be calibrated through iterative calculations. The experimental verification showed that all error parameters of the integrated navigation system can be calibrated easily and quickly by this method. It was concluded that after repeated calibration and error compensation, the position accuracy was better than 7m.

integrated navigation system; inertial navigation; Doppler velocity log; calibration

2012-08-27.

日期：2015-01-13.

國家自然科學基金資助項目（S1309059）.

于玖成. E-mail：yu.jiucheng@163.com.

10.3969/j.issn.1673-4785.201208034

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-4785.201208034.html

TP311;TN911.7

A

1673-4785（2015）01-0143-06

于玖成，何昆鵬，王曉雪. SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的標定[J]. 智能系統(tǒng)學報， 2015, 10（1）: 143-148.

英文引用格式：YU Jiucheng， HE Kunpeng， WANG Xiaoxue. Calibration for strapdown inertia navigation/Doppler velocity log integrated navigation system[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2015, 10（1）: 143-148.