[發明專利]水下導航與重力測量一體化系統

有效

• 申請號: 202010554630.9
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111812737B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 蔡體菁
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01V7/02
• 分類號: G01V7/02;G01V7/06;G01C21/18
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 張偉

1.一種水下導航與重力測量一體化系統，其特征在于：包括3個激光陀螺儀、3個擺式撓性加速度計、3個重力傳感器、轉位與測角裝置、溫度傳感器、溫度控制箱、多普勒計程儀、深度計、2個計算機、數據采集處理平臺、LCD顯示和電路板；所述的3個激光陀螺儀和3個擺式撓性加速度計放置在轉位機構上，構成激光陀螺單軸旋轉慣性測量單元；所述的重力傳感器放在溫度控制箱中，與激光陀螺單軸旋轉慣性測量單元剛性地固定在一起，且與激光陀螺單軸旋轉慣性測量單元的加速度計具有相同的姿態角；所述的數據采集處理平臺實時處理記錄激光陀螺儀、加速度計、重力傳感器、轉位與測角裝置、溫度傳感器、多普勒計程儀、深度計信號；所述的2個計算機中，其中1個計算機接收激光陀螺儀、擺式撓性加速度計加速度計、多普勒計程儀、深度計、轉位角度信息和溫度信息，以多普勒計程儀的速度信息和深度計的水深信息作為激光陀螺單軸旋轉慣性測量單元的外觀測量，應用擴展卡爾曼濾波，計算出水下導航與重力測量一體化系統的位置、速度和姿態；

水下組合導航系統濾波狀態方程為

其中，X_k是系統狀態向量，Φ_k+1/k是狀態轉移矩陣，Γ_k+1是系統的噪聲轉換矩陣，W_K是噪聲矩陣；狀態向量為：

其中，分別為捷聯慣導數學平臺的3個誤差角，δV_E，δV_N，δV_UP分別為東向、北向和天向速度誤差，δL，δλ，δh分別為經度、緯度和高度誤差，δG_x，δG_y和δG_z分別為陀螺儀X，Y，Z軸的零位漂移，δA_x，δA_y，δA_z分別為加速度計X，Y，Z軸的零位偏置；W噪聲矩陣由陀螺儀和加速度計的白噪聲組成：

W＝[w_gx,w_gy,w_gz,w_ax,w_ay,w_az]^T (2)

狀態轉移矩陣：

Φ_k+1/k≈E_n+F_k·Δt (3)其中，E_n是單位矩陣，F_k是組合系統誤差方程矩陣，F＝[f_i,j],i,j＝1,…15，f_i,j非零項為：

f_1,9＝n_N；f_1,13＝c11；f_1,14＝c12；f_1,15＝c13；

f_2,7＝-f_1,8＝n_h；f_2,13＝c21；f_2,14＝c22；f_2,15＝c23；f_3,8＝-f_2,9＝n_E；

f_3,13＝c31；f_3,14＝c32；f_3,15＝c33；

f_6,3＝1；f_7,9＝-f_9,7＝-ω_N,

f_8,9＝-f_9,8＝ω_E,

f_8,11＝c22；f_8,12＝c23；

f_9,10＝c31,f_9,11＝c32,f_9,12＝c33；f_7,10＝c11；f_7,11＝c12；f_7,12＝c13；

c_ij為姿態矩陣元素，U為地球旋轉角速率，n_E,n_N,n_h分別為東北天方向上的加速度計比力；

水下組合導航系統的觀測方程為

Z_k+1＝H_k+1X_k+1+V_k+1 (4)

其中Z_k+1是觀測向量，H_k+1是觀測矩陣，V_k+1是觀測噪聲矩陣，具體如下：

其中，V_E,I和V_N,I分別是激光陀螺單軸旋轉捷聯慣性導航系統計算得到的東向和北向速度，V_E,DVL和V_N,BVL是多普勒計程儀輸出的東向和北向，h_I是激光陀螺單軸旋轉捷聯慣性導航系統計算得到的深度，h_D是深度計輸出的深度；觀測矩陣H_k+1＝[h_i,j]i＝1,…5,j＝1,…13中的非零項為：h_1,1＝h_2,2＝h_3,3＝1，h_1,8＝-V_N，h_2,8＝V_E；

另1個計算機接收重力傳感器信息、溫度信息和水下導航與重力測量一體化系統的位置、速度和姿態信息，計算出當地地理坐標系下的重力傳感器的比力，進行重力測量改正和低通濾波處理，得到當地重力值。

2.根據權利要求1所述的水下導航與重力測量一體化系統，其特征在于：所述的數據采集處理平臺與計算機采用FPGA+DSP+ARM架構。