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融合声速修正与时延估计的SINS/USBL在线联合标定方法

秦洪懋 赵文豪 崔丰艺 王广才 杨帆

秦洪懋, 赵文豪, 崔丰艺, 等. 融合声速修正与时延估计的SINS/USBL在线联合标定方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0084
引用本文: 秦洪懋, 赵文豪, 崔丰艺, 等. 融合声速修正与时延估计的SINS/USBL在线联合标定方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0084
QIN Hongmao, ZHAO Wenhao, CUI Fengyi, WANG Guangcai, YANG Fan. Calibration Method for SINS/USBL Integrating Sound Speed Correction and Time-Delay Estimation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0084
Citation: QIN Hongmao, ZHAO Wenhao, CUI Fengyi, WANG Guangcai, YANG Fan. Calibration Method for SINS/USBL Integrating Sound Speed Correction and Time-Delay Estimation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0084

融合声速修正与时延估计的SINS/USBL在线联合标定方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0084
基金项目: 多型电动运载装备集群混杂协同作业技术研究项目资助(U25B20237).
详细信息
    作者简介:

    秦洪懋(1984-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为智能运载系统

    通讯作者:

    王广才(1990-), 男, 博士, 副研究员, 主要研究方向为水下航行器惯导与组合导航定位技术.

  • 中图分类号: TJ630; U666.1

Calibration Method for SINS/USBL Integrating Sound Speed Correction and Time-Delay Estimation

  • 摘要: 捷联惯性导航系统(SINS)与超短基线水声定位系统(USBL)组合是深海导航的主流方案, 传感器高精度标定是保障系统性能的核心。现有标定方法在深海声线弯曲修正过程中实时性不足, 且传统标定常忽略水声量测随机时延抖动与空间误差的强耦合特性, 导致标定精度受限, 进而制约了导航系统在深海场景的作业精度与适配性。为此, 文中提出一种融合有效声速表与时延估计的在线联合标定方法。首先, 离线构建应答器深度、初始掠射角与有效声速的精细化映射表, 在线执行一阶双线性插值以规避声线跟踪的复杂迭代, 实现声速误差的实时修正; 此外, 通过时延回溯计算历史位置和姿态矩阵, 并将时延建模为一阶马尔可夫过程, 以补偿信息重构带来的时间抖动, 从而确保水声量测动态更新; 最后, 将声速误差修正方法与残余时延模型纳入状态估计框架, 通过多源误差联合闭环估计, 实现USBL测距畸变与安装误差角的联合校正。仿真与实测结果表明, 所提方法能够有效抑制深海声速扰动误差、削弱量测迟滞带来的负面影响, 相较于未考虑深海误差方法, 标定结果可提升导航定位精度提升约90.1%。

     

  • 图  1  坐标系与安装误差角

    Figure  1.  Schematic diagram of coordinate system and installation error angle

    图  2  声速误差抑制方法流程图

    Figure  2.  Flowchart of sound velocity error suppression method

    图  3  SSP月均值深度分布图

    Figure  3.  Depth distribution of the monthly mean sound speed profile

    图  4  声线传播轨迹图

    Figure  4.  Diagram of ray propagation trajectories

    图  5  仿真轨迹

    Figure  5.  Simulated trajectory

    图  6  俯仰角、横滚角、航向角安装误差估计曲线

    Figure  6.  Estimation curve of the yaw angle installation error

    图  7  试验轨迹

    Figure  7.  Test trajectory

    图  8  俯仰角、横滚角、航向角安装误差估计曲线

    Figure  8.  Estimation curves of the yaw angle installation error

    图  9  水平位置误差

    Figure  9.  Curve of horizontal position error

    表  1  坐标系定义

    Table  1.   Definition of coordinate frames

    坐标系定义
    b母船载体坐标系。原点建立于捷联惯导的几何中心; x-y-z 轴分别沿载体右向、前向、垂向上方向, 与载体本体几何中轴线保持平行。
    n导航坐标系。采用局部地理坐标系, 坐标轴依次指向东-北--天, 即 E-N-U 坐标系。
    e地球坐标系。基于WGS-84地球模型; 原点位于地球质心, x轴指向零度经线(本初子午线)与赤道交点, z轴沿地球自转轴指向北极。
    dDVL坐标系。正交坐标系, 坐标轴与DVL 的安装敏感轴严格对齐。
    uUSBL坐标系。正交坐标系, 坐标轴与USBL 阵元敏感轴对齐。
    aUUV载体坐标系。原点建立于UUV捷联惯导几何中心; 坐标轴沿UUV载体前-右-下方向, 平行于航行器本体几何中轴线。
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    表  2  有效声速表

    Table  2.   Table of effective sound velocity values

    深度/m
    掠射角/(°)
    9901 0001 010
    391 495.321 495.341 495.62
    411 495.301 495.331 495.59
    431 495.291 495.311 495.59
    451 495.281 495.311 495.58
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    表  3  用于仿真的安装误差估计均值

    Table  3.   Mean values of estimated installation errors for simulation

    安装误差角真值所提
    方法
    固定时延补偿常值声速补偿
    俯仰角/(°)22.003 42.031 62.021 8
    横滚角/(°)−2−1.991 0−1.961 2−1.978 8
    航向角/(°)10.944 61.163 31.332 1
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    表  4  IMU性能参数

    Table  4.   Parameters of IMU

    参数 性能 输出频率
    陀螺 常值零偏 0.01°/h 200 Hz
    角度随机游走 $ 0.001{^{\circ}}/ \sqrt{\text{h}} $
    加速度计 常值零偏 $ 50{\text{ μg}} $
    速度随机游走 $ 5{\text{ μg}}/ \sqrt{\text{Hz}} $
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    表  5  其余传感器性能参数

    Table  5.   Parameters of remaining sensors

    传感器参数性能输出频率/Hz
    USBL定位精度0.5%×斜距0.5
    DVL测速精度±0.2%±0.1 cm/s最大12
    位姿参考激光惯导航向精度0.01°×纬度500
    GPS-RTK姿态精度0.005°
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    表  6  标定算法滤波参数与对比组基准数

    Table  6.   Calibration algorithm filtering parameters and benchmark values for the comparison group

    参数类型 符号 取值与说明
    状态初值
    协方差
    $ {\boldsymbol{P}}_{0}(\boldsymbol{\mu }) $ (1.0°)2, 根据机械粗对准精度给定
    $ {P}_{0}(\delta \tau ) $ (50 ms)2, 根据硬件板卡调试经验设定
    过程噪声
    协方差
    $ \boldsymbol{Q}(\boldsymbol{\mu }) $ diag[(10−5°/h)2], 稳态常值噪声
    $ \sigma _{\tau }^{2} $ 由时延抖动量级与理论公式整定
    时延模型
    关键参数
    $ {T}_{\tau } $ 10 s, 海试时延序列拟合得到
    对比组基
    准参数
    常值声速
    补偿基准
    1 500 m/s, 平均声速设定值
    固定时延
    补偿基准
    500 ms, 水声通信系统的标称
    系统物理延迟
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    表  7  海试实测数据下3种标定方法安装角估计收敛值

    Table  7.   Convergence values of installation error angles from sea trial data

    安装误差角所提
    方法
    固定时延补偿常值声速补偿
    俯仰角/°4.044 44.054 83.847 9
    横滚角/°−1.955 1−1.947 8−1.915 4
    航向角/°3.026 03.156 82.768 3
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    表  8  试验中位置误差比较

    Table  8.   Comparison of position errors in the experiment

    方法RMSE/m精度提升幅度
    文中所提方法0.5890.1%
    固定时延补偿3.2045.4%
    常值声速补偿5.86基准对照组
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-05-08
  • 修回日期:  2026-05-20
  • 录用日期:  2026-06-02
  • 网络出版日期:  2026-09-15
图(9) / 表(8)

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