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专利号: 2025101225316
申请人: 河北工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于旋转平台的超短基线安装误差标定系统,其特征在于,包括:用于将SINS/USBL一体化系统固定于母船上的旋转平台;

用于携带固定应答器至水中指定位置的水下机器人ROV;

所述旋转平台带动SINS/USBL一体化系统旋转,在旋转过程中USBL不断对所述应答器进行测量,通过解算获得USBL相对SINS的安装误差角;

所述旋转平台包括:台面,转轴,台体,以及转轴转动的控制执行机构;其中:台面用于安装SINS/USBL一体化系统,台面和转轴固连,能够360度旋转;

台体为单轴转台底座,台体固联于母船上朝向所述应答器一侧;

在转轴旋转过程中,所述旋转平台保证SINS/USBL一体化系统处于水平状态,避免在转动过程中出现应答器信号无法接受的情况;

所述SINS/USBL一体化系统由SINS与USBL上下固定,紧固安装并密封在一个壳体内,固定到台面中心轴上;

所述母船上还安装有第一GNSS系统,用于获取母船的位置;

所述水下机器人ROV顶端固定有所述应答器,同时还安装有第二SINS系统、DVL、第二GNSS系统和深度计,组成一个导航系统,用于控制ROV到达预定位置并确保应答器保持固定位置及姿态。

2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,包括:多个所述旋转平台,用于同时标定多套SINS/USBL一体化系统,每个台面对应一套一体化SINS/USBL系统,并依次固定在母船朝向应答器的一侧。

3.一种基于权利要求1或2所述系统的超短基线安装误差标定方法,包括以下步骤:S1:应答器位置确定;

S2:将所述SINS/USBL一体化系统固定到对应的旋转平台台面上,固定在母船上朝向应答器的一侧;

S3:利用母船上第一GNSS系统的秒脉冲源,每秒产生一个精确的脉冲信号;用电缆将母船上第一GNSS系统的秒脉冲输出端口与母船上SINS和USBL的秒脉冲输入端口连接起来;

S4:旋转平台台面每隔一定时间旋转一定角度,共旋转360度,该过程中实时采集SINS/USBL一体化系统的航姿,位置及斜距及方位角,应答器的绝对地理位置及深度信息;

S5:利用各个测量点通过第一GNSS系统得到的位置、母船上SINS提供的姿态数据以及USBL系统提供的斜距数据及方位角,解算出要标定的SINS/USBL一体化系统中USBL相对于SINS的安装误差角。

4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述步骤S1包括:在小型ROV上安装好第二SINS、DVL、第二GNSS、深度计,组成一个导航系统,并在ROV顶端固定应答器;

先标定好第二SINS与DVL的参数,在水面对准完毕后,潜入水中,进入第二SINS与DVL组合状态,携带电源线缆到达预定位置,进行悬停或做底,根据第二SINS与DVL组合确定应答器的绝对位置。

5.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中,在进行秒脉冲同步之前,需要对母船上SINS系统、USBL和第一GNSS系统的时间进行校准,以确保三者之间的时间差在设定的阈值范围内。

6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述步骤S5的解算方法包括:USBL基阵和应答器之间的斜距表示为两者坐标之间的欧式距离,具体公式如下:式中, 为USBL基阵在地球坐标系下的坐标, 为应答器在地球坐标系下的坐标;

将 表示为:

b

式中, 为测量母船在地球坐标系下的坐标,L为第一GNSS与USBL的杆臂三维距离,为USBL基阵载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵, 为e系到n系的转换矩阵;e系为地球坐标系,n系为导航坐标系;

根据坐标变换关系,得到:

式中 为安装角误差角所对应的姿态转移矩阵, 为应答器在基阵坐标系下的坐标;

将式(3)代入式(1)中,

式中 由第一GNSS设备提供, 由母船SINS的姿态传感器测得,均为观测量;

b

超短基线系统标定的关键在于确定母船上第一GNSS与USBL的杆臂三维距离L 和安装误b差角θx,θy,θz;其中,第一GNSS与USBL的杆臂三维距离L直接通过测量得出;

b

安装误差角标定时,先求得L和 将得到的结果带入式(4),计算出姿态转移矩阵再根据姿态转移矩阵 计算出安装误差角θx,θy,θz:将式(4)改写成如下形式:

其中 为 三个轴的坐标, 为 三个轴

的坐标,将(5)展开得

其中

为应答器在基阵坐标系下坐标 的展开形式, 表示第一GNSS与b

USBL的杆臂三维距离,L的展开形式;

对于一体化SINS/USBL系统,其 可由反对称矩阵近似为:则式(6)可变为:

式中:

直接利用最小二乘法得到最优解:

由此计算出待标定的安装误差角。

7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,当有多套一体化SINS/USBL系统同时标定时,所述S4中还包括以下步骤:通过主控计算机系统的同步脉冲触发控制的SINS/USBL的一体化系统,使其按一定时间依次工作。