用于AUV载重力仪的垂直加速度改正方法与流程

本发明涉及重力仪的加速度改正方法技术领域，特别涉及一种用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法。

背景技术：

自主式水下航行器(autonomousunderwatervehicle，auv)，如常规潜艇、核潜艇和水下自主作业机器人等已广泛应用于海洋油气源勘探和国防等领域。要实现水下长时间作业，必须依赖于自主水下导航定位系统。通过auv搭载的相对重力仪采集的原始重力异常信号经过建模与实时滤波处理之后，需要进行改正才能得到反映auv位置信息的实时重力异常，进而与已存储的重力数据库进行匹配得到auv的位置信息，辅助于导航系统。

auv航行时会受到海浪、海流的作用而产生摇摆。重力测量是在auv不断地摇晃条件下进行的，纵摇导致垂直扰动加速度，横摇导致水平扰动加速度。因此，要实现高精度的海洋重力测量，增强海洋重力测量系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性，对auv载重力仪的垂直加速度改正十分必要。

传统垂直扰动加速度改正的方法利用数字滤波技术确定auv垂直加速度用于垂直扰动加速度改正，该方法误差大，精度难以保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法，该方法能够提高海洋重力测量精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提供一种用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法，包括:

利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度；

利用均值滤波抑制所述auv载重力仪的低频垂直扰动加速度；

利用博弈滤波改正所述auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声。

进一步地，所述利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度中所述的低通滤波采用巴特沃思滤波器。

进一步地，所述利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度中，周期大于120s的扰动信号衰减不大于1db，周期小于10s的扰动信号衰减不小于100db。

进一步地，所述利用均值滤波抑制auv载重力仪的低频垂直扰动加速度，包括：

建立auv载重力仪在水中的垂直方向的运动方程：

其中，z为垂直方向的位移，a为运行幅度，t为运动时间，t为运动周期，为初相位；

auv载重力仪在水中的垂直加速度为：

auv在一个周期内垂直加速度的平均值为：

进一步地，所述高频垂直扰动加速度包括auv运行振动造成的高频噪声。

进一步地，所述高频垂直扰动加速度包括海浪和外部颠簸造成的高频噪声。

进一步地，所述低频垂直扰动加速度包括auv自身上下航行的低频噪声。

进一步地，所述利用博弈滤波改正auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声包括：利用auv博弈滤波找到适当系统状态的线性组合估计使得代价函数j′最小化，所述代价函数j′如下所示：

式中，ωk为过程噪声，υk为量测噪声，zk为系统状态的线性组合，系统状态的线性组合估计，x0为系统状态初始值，为系统状态初始值估计，p0、qk、rk和sk均为基于特定问题选择的对称正定矩阵。

进一步地，所述p0、qk、rk和sk分别代表稳定性问题、噪声问题、发散问题、滤波精度问题选择的对称正定矩阵。

本发明的用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度，利用均值滤波抑制auv载重力仪的低频垂直扰动加速度，利用auv博弈滤波进一步改正auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声，该方法能够提高海洋重力测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法的流程图；

图2为受高频垂直扰动加速度干扰的重力异常仿真测量值；

图3为图2重力异常仿真测量值仿真测量值在巴特沃思滤波器滤波后输出波形；

图4为均值滤波误差示意图；

图5为auv载重力仪水下重力测量仿真数据在auv博弈滤波改正后的曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本文中使用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。

auv航行时会受到海浪、海流的作用而产生摇摆。重力测量是在auv不断地摇晃条件下进行的，纵摇导致垂直扰动加速度，横摇导致水平扰动加速度。传统垂直扰动加速度改正的方法采用gnss差分技术确定垂直扰动加速度并给予补偿,但需要在地面架设gnss参考基站，成本高且限制了作业范围。另外还有利用数字滤波技术确定auv垂直加速度用于垂直扰动加速度改正，该方法误差大，精度难以保证。

本发明基于以上问题提出一种用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法。

下面结合具体实施例对本发明提供的用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法进行详细介绍。

图1为本实施例提供的用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法的流程图，本实施例提供一种用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法，包括：

s11、利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度；

具体地，将高频垂直扰动加速度利用低通滤波器进行改正，其中，低通滤波是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱，但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变。本实施例的低通滤波可采用巴特沃思滤波器，周期大于120s的信号(重力异常的主要成分)衰减不大于1db，周期小于10s的信号(高频垂直扰动加速度)衰减不小于100db，使得整体幅频特性单调递减。

图2为受高频垂直扰动加速度干扰的重力异常仿真测量值，图3为图2重力异常仿真测量值仿真测量值在巴特沃思滤波器滤波后输出波形，该重力异常仿真测量值中假设高频垂直扰动加速度的周期为2π，重力异常原始信号的周期为100π；且海浪起伏引起的干扰加速度的幅值大于重力异常信号的幅值，取重力异常原始信号幅值为1mgal，搭载重力仪高频垂直扰动加速度幅值为10mgal，该重力异常仿真测量值在巴特沃思滤波器处理后，高频垂直扰动加速度抑制效果如图3所示，由图3可以看出，滤波后仿真auv搭载海洋重力仪信号中的高频垂直扰动加速度基本消除，巴特沃思低通滤波器对于高频垂直扰动加速度具有很好的抑制效果。

s12、利用均值滤波抑制auv载重力仪的低频垂直扰动加速度；

具体地，低频垂直扰动加速度由于其周期较长，与重力异常周期有重合的可能性，因此低通滤波器并不能很好的进行改正，本实施例采用均值滤波可以有效消除低频垂直加速度。

具体地，所述利用均值滤波抑制低频垂直扰动加速度包括：建立auv在水中的垂向方向的运动方程：

式中，z为垂直方向的位移，a为运行幅度，t为运动周期，为初相位，t为运行时间。

垂直位移z对时间求二次导数，可得auv的垂直方向加速度：

auv垂向运动的中长周期垂直加速度具有周期性，对其在一段时间内求平均值:

可知，利用均值滤波就可以很大程度上抑制auv载重力仪的垂直扰动加速度的影响。

图4为均值滤波误差示意图，对垂直扰动加速度周期进行分析，取60s为求和周期，每一求和周期精度均值滤波后垂直扰动加速度的大小为δg。

取则：

滤波后极值出现于：

sin2πf(t1+60)＝sin2πf(t1)

即t1＝(2n+1)/4f-30,n＝(0,1,2,...)，则误差最大值为：(±a/10πf)sin10πf。说明利用均值滤波抑制低频垂直扰动加速度的滤波效果跟auv上浮下潜运动产生的垂直加速度的周期相关。均值滤波可以有效消除低频垂直加速度，但是随着周期越来越大，误差也会变大。

s13、利用博弈滤波改正auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声。

具体地，利用auv博弈滤波找到适当系统状态的线性组合估计使得代价函数j′最小化，代价函数j′如下所示：

式中，ωk为过程噪声，υk为量测噪声，zk为系统状态的线性组合，系统状态的线性组合估计，x0为系统状态初始值，为系统状态初始值估计，p0、qk、rk和sk均为基于特定问题选择的对称正定矩阵，其中，p0、qk、rk右上标-1表示对矩阵进行逆运算。

具体地，auv博弈滤波器的原理是找到适当的线性组合估计使其代价函数j′最小。利用auv博弈滤波进一步改正auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声。外部干扰使得代价函数j′最大化。如果以系统状态的线性组合zk为代价函数，外界最大化的差值只需要简单的将过程噪声ωk、量测噪声υk和系统状态初始值x0变为无穷大。如此会令博弈变得显失不公平。为了使博弈变得更加公平，在定义代价函数j′时将过程噪声ωk、量测噪声υk和系统状态初始值x0放到代价函数j′的分母上，从而使得分母和分子相互制约，p0、qk、rk和sk是基于特定问题选择的对称正定矩阵。对系统状态线性组合zk中的第i元素的估计精度而言，可以调节sk中的sk(i,i)比其它元素大，可以提高i元素的估计精度。

本实施例中，所述p0、qk、rk和sk分别代表稳定性问题、噪声问题、发散问题、滤波精度问题选择的对称正定矩阵。

本实施例中，利用水下auv载重力仪动态测量仿真，假设数据的原始信号周期为120s，幅值为1的低频正弦信号，在原始信号基的础上叠加标准差为0.5毫伽的随机高斯白噪声，得到水下重力测量仿真数据，该仿真数据利用auv博弈滤波处理。图5为auv载重力仪水下重力测量仿真数据在auv博弈滤波改正后的曲线，请参阅图5所示，auv博弈滤波处理基本还原了重力异常仿真测量数据的原始信号。重力异常测量仿真数据中原始噪声方差为0.16，经过auv博弈滤波处理后噪声的方差为0.022，基本达到了达了预期的降噪效果。

本实施例的用于auv载重力仪的垂直加速度改正方法利用低通滤波消除auv载重力仪的高频垂直扰动加速度，利用均值滤波抑制auv载重力仪的低频垂直扰动加速度，利用auv博弈滤波进一步改正auv载重力仪的垂直扰动加速度与重力异常在频谱上有重合的噪声，该方法能够解决auv搭载重力仪进行海洋重力测量时，由于自身震动、海浪、海流等因素导致重力仪摇摆从而附加额外的加速度致使测量精度低的问题，能够提高海洋重力测量精度，具有较强的动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。