本发明属于惯性导航系统粗对准，具体涉及一种基于声学授位的水下auv粗对准方法。
背景技术：
1、在主从auv协同导航中，初始对准是为从auv所安装的捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,sins)提供初始姿态信息的过程，初始对准的精度影响着从auv系统后续协同导航的工作性能。初始对准通常包括粗对准和精对准两个阶段，粗对准是整个对准过程的第一步，为精对准提供粗略的初始姿态，因此粗对准的精度直接决定着导航系统的定位精度。基于双矢量姿态矩阵分解(dual-vector attitudematrix decomposition-based alignment，dv-adia)的粗对准方法利用重力加速度矢量积分和sins的加速度计输出积分建立参考矢量和观测矢量，根据双矢量确定两坐标系方位转换关系的数学原理估计载体坐标系与导航坐标系之间的姿态转换矩阵。然而从auv水中对准时，无法保持完全静止状态，auv线运动会导致惯性导航系统的加速度计输出存在干扰加速度，导致观测矢量产生误差，进而影响粗对准精度。
2、公开号为cn112945274a的专利申请“一种舰船捷联惯导系统航行间粗对准方法”提出了一种基于gps位置辅助的粗对准方法，通过二重积分的方式求取各参数，减少周期震荡误差，提高粗对准精度。公开号为cn111854747a的专利申请“一种载体大机动情况下的dvl辅助sins粗对准方法”利用sins输出信息对多普勒计程仪(doppler velocity log，dvl)测速误差进行建模和补偿，减小了粗对准时间，提高了粗对准精度。奔粤阳等提出了“卫导辅助下的舰船捷联惯导航行间粗对准方法”，利用gps获得的位置信息实现粗对准。韩勇强等提出了“一种车载捷联惯导行进间quest优化粗对准算法”，采用以重力矢量模值误差为权重参考的quest算法，减小误差影响，提高粗对准精度。文献(in-motion filter-quest alignment for strapdown inertial navigation systems)通过实时小波去噪和自适应卡尔曼滤波的方式重构观测矢量，去除传感器高频噪声和干扰加速度，提高粗对准精度。文献(in-motion coarse alignment method for sins/dvl with the attitudedynamics)通过引入多普勒计程仪作为外部参考信息，提出了一种dvl速度补偿算法，减小了姿态动态情况下的dvl测量误差，缩短了对准时间。
3、虽然现有方法已经取得了一定的成就，但是增加了算法的复杂度。而且在水下环境中存在gps不可用、sins与dvl采样频率不一致等问题时，现有方法的应用仍然存在一定的局限性，同时对准精度的提升效果仍然有限。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了提高现有方法的对准精度和适用性，并降低现有方法的复杂度，而提出了一种基于声学授位的水下auv粗对准方法。
2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，所述方法具体包括以下步骤：
3、步骤一、从auv通过水声通信接收对准起始时刻主auv超短基线测量得到的从auv位置信息；
4、步骤二、从auv采集tk时刻的sins加速度计输出的加速度信息、sins陀螺仪输出的角速度信息以及dvl输出的速度信息；
5、将sins加速度计输出的加速度信息表示为：其中，和分别表示tk时刻sins加速度计测量的比力在载体坐标系三轴上的分量，单位为m/s2；
6、将sins陀螺仪输出的角速度信息表示为：其中和分别表示tk时刻sins陀螺仪测量的角速度在载体坐标系三轴上的分量，单位为rad/s；
7、将dvl输出的速度信息表示为：其中，和分别表示tk时刻dvl测量的从auv在载体坐标系下的右向速度、前向速度和上向速度，单位为m/s；
8、步骤三、根据主auv提供的经纬度信息，更新tk时刻惯性坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵
9、步骤四、根据sins陀螺仪输出的角速度信息，更新tk时刻载体坐标系到初始时刻载体惯性坐标系ib0的姿态转换矩阵
10、步骤五、根据sins加速度计输出的加速度信息和获得tk时刻重力加速度在初始时刻载体惯性坐标系的投影根据当地重力加速度信息和姿态转换矩阵获得tk时刻重力加速度在地心惯性坐标系的投影gi(tk)；
11、步骤六、判断对准是否结束；
12、若对准结束，则执行步骤七；
13、若对准未结束，则令k＝k+1，返回执行步骤二；
14、步骤七、根据各采样时刻得到的加速度计数据和设置的滑动时间窗口选择第一个积分区间；
15、步骤八、对gi(tk)在步骤七选择的第一个积分区间和第二个积分区间分别进行积分，来构造参考矢量；对在步骤七选择的第一个积分区间和第二个积分区间分别进行积分，来构造观测矢量；所述第二个积分区间为对准起始时刻t0到对准结束时刻tm的数据段；
16、并根据观测矢量和参考矢量来计算地心惯性坐标系到初始时刻载体惯性坐标系的姿态转换矩阵
17、步骤九、利用姿态转换矩阵和来初步估计tk时刻载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵再对初步估计的矩阵进行正交化处理，得到正交化处理后的姿态转换矩阵
18、步骤十、利用tk时刻姿态转换矩阵和dvl输出的速度信息来补偿tk时刻加速度计输出，得到补偿结果并根据对进行更新得到
19、步骤十一、利用返回执行步骤八重新计算出并根据最终估计出tk时刻的载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵再对最终估计出的姿态转换矩阵进行正交化处理，得到正交化处理后的姿态转换矩阵
20、步骤十二、根据姿态转换矩阵解算tk时刻auv三个姿态角的估计结果；
21、
22、其中，cij，i,j＝1,2,3表示姿态转换矩阵中第i行第j列的元素，θ、γ和ψ分别表示估计出的俯仰角、横滚角和航向角。
23、进一步地，所述步骤三的具体过程为：
24、将姿态转换矩阵分解成两个矩阵相乘的形式，即表示从地球坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵，表示地心惯性坐标系到地球坐标系的姿态转换矩阵；
25、
26、其中，l0和λ0分别表示主auv声学测量的对准起始时刻从auv经度和纬度，单位为°，t0表示粗对准起始时刻，ωie表示地球自转角速度，ts是sins采样周期。
27、进一步地，所述步骤四的具体过程为：
28、
29、其中，i3×3是3×3的单位矩阵，是在对准起始时刻，载体坐标系到初始时刻载体惯性坐标系的姿态转换矩阵，是在tk时刻，载体坐标系到初始时刻载体惯性坐标系的姿态转换矩阵，是在tk-1时刻，载体坐标系到初始时刻载体惯性坐标系的姿态转换矩阵，分别表示sins陀螺仪输出的角速度信息在载体坐标系三轴上的分量，φk×表示φk构成的反对称阵，“|*|”表示取模运算。
30、进一步地，所述反对称阵φk×为：
31、
32、进一步地，所述步骤五中，tk时刻重力加速度在地心惯性坐标系的投影gi(tk)为：
33、
34、其中，为矩阵的转置矩阵，gn表示重力加速度在导航坐标系下的投影，gn＝[00-g]t，g表示重力加速度，g＝g0(1+0.0053024sin2l0-0.0000058sin22l0)，g0是地球重力常数；
35、所述tk时刻重力加速度在初始时刻载体惯性坐标系的投影为：
36、
37、进一步地，所述步骤七的具体过程为：
38、采用滑动时间窗口对各采样时刻得到的加速度计数据进行处理：
39、
40、其中，fb(tj)表示tj时刻sins加速度计输出的加速度信息，w表示滑动时间窗口的长度；
41、选取出最小的sk，将最小的sk记为sa，将sa所对应的采样时刻段[ta,ta+w-1]作为选择出的第一个积分区间。
42、进一步地，所述步骤八的具体过程为：
43、步骤八一、建立参考矢量和
44、
45、积分得：
46、
47、步骤八二、建立观测矢量和
48、
49、步骤八三、根据观测矢量和参考矢量来计算姿态转换矩阵
50、
51、其中，上角标-1代表取逆，上角标t代表转置。
52、进一步地，所述tk时刻载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵为：
53、
54、其中，是初步估计的姿态转换矩阵，是的转置矩阵。
55、进一步地，所述步骤十的具体过程为：
56、
57、其中，表示补偿后的加速度计输出；表示姿态转换矩阵的转置；表示tk时刻dvl输出的从auv速度在载体坐标系下的投影；是的反对称矩阵，h0表示从auv初始高度，rn为卯酉圈主曲率半径，rm为子午圈主曲率半径，单位为m；
58、则为：
59、
60、更进一步地，所述步骤十一的具体过程为：
61、
62、其中，和是更新后的观测矢量；
63、
64、其中，是地心惯性坐标系到初始时刻载体惯性坐标系的更新后姿态转换矩阵；
65、
66、其中，是最终估计出的载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵；
67、再对姿态转换矩阵进行正交化处理，得到正交化处理后的姿态转换矩阵
68、本发明的有益效果是：
69、本发明主auv依靠安装在主、从auv上的超短基线测量从auv位置，并将从auv位置以水声通信的方式发送给从auv，从auv根据该位置信息以及安装的sins系统构建对应矢量完成粗对准。本发明充分利用sins加速度计数据，通过滑动窗口选择平均合干扰加速度最小的窗口所对应的数据段作为构建矢量的积分区间，还利用从auv安装的dvl所提供的速度信息对sins的加速度计输出进行补偿，实现了主从协同导航中从auv的水中粗对准，减小了从auv受洋流影响产生线运动所引起的对准误差，充分利用了原有sins数据，并引入dvl提供的速度信息进行补偿，提高了对准精度。在水下无法获得gps位置的情况下，通过usbl提供位置信息实现了从auv水下粗对准，增强了对准方法的适用性。
70、同时相比于现有方法，降低了对准方法的复杂度。
1.一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
4.根据权利要求3所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述反对称阵φk×为：
5.根据权利要求4所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤五中，tk时刻重力加速度在地心惯性坐标系的投影gi(tk)为：
6.根据权利要求5所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤七的具体过程为：
7.根据权利要求6所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤八的具体过程为：
8.根据权利要求7所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述tk时刻载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵为：
9.根据权利要求8所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤十的具体过程为：
10.根据权利要求9所述的一种基于声学授位的水下auv粗对准方法，其特征在于，所述步骤十一的具体过程为：
