CN105115494A - 一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法，具体过程为：在水下运载体的艏、艉两端各安装一个声学询问器；在运载体艉端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水下运载体周围的应答器共同构成“准短基线”定位系统；艏、艉两端的两个询问器顺次发出询问信号，利用声学测距原理分别获得两询问器至应答器的距离；根据两询问器至应答器的距离以及深度传感器测量的深度信息，计算应答器在载体水平坐标系的位置信息；根据应答器在载体水平坐标系位置信息和已知的应答器在导航坐标系的位置信息，计算出水下运载体在导航坐标系中的位置信息，利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声组合定位。

Description

一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法

技术领域

本发明属于惯性导航与水声定位技术领域，具体涉及一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法。

背景技术

传统短基线水声定位系统由3个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边形，组成声基阵。为了保证定位精度，换能器之间的距离应超过10m，换能器之间的相互关系可以精确测定，组成声基阵坐标系，声基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法确定。

短基线的测量方法是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值和不同于这个观测值的多个斜距值。系统根据声基阵相对船坐标系的固定关系，借助GPS定位和航姿信息，可解算得到目标的大地坐标。

构成短基线声基阵的换能器与超短基线相比技术较易实现，但是水下运载体的横向宽度很难安装多达3个以上相互间距离10m以上的换能器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是利用水下运载体纵轴方向有较大长度和水下导航可借助深度传感器将3维定位转换为2维的特点，改进传统短基线定位系统的换能器布置方案，提出适合于水下运载体应用的“准短基线”定位的概念，并基于“准短基线”提出一种惯性导航/水声组合导航方法。

本发明通过以下方案来实现：

一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法，具体过程为：

(1)在水下运载体的艏、艉两端各安装一个声学询问器，并确定两询问器之间的间距；在运载体艉端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水下运载体周围的应答器共同构成“准短基线”定位系统；

(2)定义以艉端询问器为原点、以艉端询问器和艏端询问器在艉端询问器所在水平面内的投影的连线为y轴的右手系为载体水平坐标系；

(3)在运载体上安装惯导系统，惯导系统安装位置与水下运载体艉端的询问器一致；

(4)运载体开始行进并利用惯导系统实现导航，行进一段时间后，在需要对惯导系统积累误差进行校准时，艏、艉两端的两个询问器顺次发出询问信号，利用声学测距原理分别获得两询问器至应答器的距离；

(5)根据两询问器至应答器的距离以及深度传感器测量的深度信息，计算应答器在载体水平坐标系的位置信息；

(6)根据应答器在载体水平坐标系位置信息和已知的应答器在导航坐标系的位置信息，计算出水下运载体在导航坐标系中的位置信息，利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声组合定位。

进一步地，本发明所述应答器为已经布设于海底的应答器，或为由水下运载体自动投放的应答器；当为水下运载体自动投放的应答器时，所述应答器位于浮标上，且浮标上装备有卫星导航接收天线，应答器在导航坐标系中的位置信息由接收天线接收。

进一步地，所述计算应答器在载体水平坐标系的位置信时，其横坐标由运载体艏向幅值变化和艏向角确定。

有益效果：

本发明利用惯性导航/水声组合定位方法，其只需安装两个换能器即可实现，改进传统短基线定位系统的换能器布置方案，实现水下持续导航的目的。

附图说明

图1为准短基线定位系统的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，在水下运载体的艏(B'₂)艉(B₁)线两端各装一换能器，其间距为D，即B₁B'₂＝D。在运载体上艉端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水下运载体周围的应答器共同构成了“准短基线”定位系统。定义以艉端询问器为原点、以艉端询问器和艏端询问器在艉端询问器所在水平面内的投影的连线为y轴的右手系为载体水平坐标系。即令B₂点为运载体艏换能器B'₂在B₁水平面内投影，定义oxyz为以换能器B₁为原点，以B₁B₂连线为y轴，在B₁水平面内构成的右手载体水平坐标系。设Z₁为B₁处水深，B'₂处水深为Z₂＝Z₁-Dsinθ，D'＝Dcosθ，设运载体周围的应答器为tr，由两询问器、深度传感器及应答器共同构成“准短基线”定位系统，如图1所示。

在运载体上安装惯导系统，惯导系统安装位置与运载体艉端的询问器一致；选定导航坐标系，建立载体坐标系，并在开始行进前进行必要的初始对准工作。

运载体开始行进并利用惯导系统实现导航，行进一段时间后，惯导系统所积累的误差已经超出允许的范围时，此时需要对惯导系统积累误差进行校准，B₁、B'₂处两询问器顺次发出询问信号，利用声学测距原理分别获得询问器至应答器距离R₁和R₂；

根据坐标轴投影可建立一组二元二次联立方程，根据此二元二次联立方程展开求解，可得到应答器与载体水平坐标系原点相对距离。

根据准短基线概念的几何原理，以距离为半径形成的两球面交线与平面相交存在非单值性问题。

由图1可见，y轴根据测距离数据，可确定包括正负方向在内的R_y1准确数值。因为y轴有两个换能器(询问器)所以除距离信息外还可获得方向。但x轴则只能确定R_x1绝对值，因为x轴只有一个换能器，无法确定方向，为利用测距数据获得准确位置信息，也即包括正负号在内的R_x1准确数值，必须确定应答器处于平面载体坐标的象限位置。

首先，可以利用应答器与运载体惯导系统两者经纬度相对数据确定应答器在载体平面坐标系的象限。但这种方法在许多情况下会失误，因为利用测距原理计算运载体地理位置时，运载体惯导系统可能已累积有较大位置误差，比如1～2海里，如果应答器与运载体真实距离不足够大，将会发生误判。

另外一种方法可通过改变运载体航行方向，获得对应答器所在位置的判断数据。但这一方法需要附加大幅度改变航向的操控，这种航行操作在某些情况下也会受到限制。

分析研究得到一种不附加任何操作，不受惯导系统位置误差和应答器相对运载体距离的实时判定算法，可实现确定应答器在载体平面坐标系的象限。

运载体巡航或航渡过程中，即使在保持风平浪静直航向情况下，其艏向也会有轻微摆动，这种轻微摆动必然会反映R_x1幅值变化，根据艏向角与R_x1幅值相关机理，利用逻辑关系算法即可编制不受应答器与运载体相对距离、方位以及惯导位置误差幅值等因素约束的判断算法，消除运载体位置不定性，求得包括正负号在内的确定数值。

$R_{x1}=\left|R_{x1}\right|sign\left(sign\right({\stackrel{\·}{R}}_{abs}\left(t\right)\left)\right)\·sign\left(\stackrel{\·}{\mathrm{\Ψ}}\left(t\right)\right)$

其中，表示R_x1的幅值变化，表示艏向角的变化。

根据准短基线算法得到的3维定位数据R_x1、R_y1、Z₁还只是声基阵水平坐标系中换能器B₁与应答器间的相对位置数据，它们还不能直接用于导航定位。为了使准短基线得到的位置数据用于导航，还需将这些原始数据进行必要的变换。

具体为：根据确定的应答器位于载体水平坐标系的位置信息(即应答器相对水下运载体上惯导系统的位置信息)和应答器在导航坐标系中的准确位置信息，可以确定出此时运载体在导航坐标系中的准确位置信息。利用此信息可以校准惯性导航系统的积累误差。

实例1：惯导/水声测距信息用于水下校准方法

装备有惯导/准短基线系统的运载体在长时间航行过程中需对其惯导系统进行校准时，利用准短基线询问器向布设于海底的应答器或装备有GPS接收机的浮标携带的应答器发出询问信号，应答器发回响应信号，惯导/准短基线系统据此即可计算得到运载体准确位置信息，从而对惯导系统进行校准。

根据惯导系统安装在运载体上，载体坐标基准与惯导系统匹配一致，其直角地理坐标系(北，东，地)中的位置为(X_V,Y_V,Z_V)'，经纬度坐标为(L_V,λ_V,Z_V)'。声基阵安装在运载体，与载体坐标系一致。

基于应答器的地理位置准确已知(X_tr,Y_tr,Z_tr)'或(L_tr,λ_tr,Z_tr)'，可利用准短基线的原始定位信息校准惯导系统。应答器在声基阵，也即载体水平坐标系中的视在位置 ${({\mathrm{tr}}_x^V,{\mathrm{tr}}_y^V,{\mathrm{tr}}_z^V)}^{\′}={(R_{x1},R_{y1},Z)}^{\′}.$

1)位置转换为相对载体惯导系统原点的地理坐标系数据考虑到已是载体水平坐标系中的视在位置，所以转换矩阵中只包含航向信息，即：

$C_V^n=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& sin\mathrm{\ψ}& 0\\ -sin\mathrm{\ψ}& cos\mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

2)准短基线原始信息用于惯导系统水下校准：

设惯导系统在直角地理坐标系中含有误差的输出位置为(X_V',Y_V',Z_V')'，其直角地理坐标系中准确位置的误差为：

${(X_V,Y_V,Z_V)}^{\′},=\[{(X_{tr},Y_{tr},Z_{tr})}^{\′},-{({\mathrm{tr}}_x^n,{\mathrm{tr}}_y^n,{\mathrm{tr}}_z^n)}^{\′}\]$

(δX_V,δY_V,δZ_V)'＝(X'_V,Y'_V,Z'_V)'-(X_V,Y_V,Z_V)'

设惯导系统在经纬度地理坐标系中含有误差的输出位置为(L_V',λ_V',Z_V')'，其经纬度地理坐标系中准确位置及误差为：

${(L_V,L_V,Z_V)}^{\′}=\[{(L_{tr},{\mathrm{\λ}}_{tr},Z_{tr})}^{\′}-{({\mathrm{tr}}_x^n/R_M,{\mathrm{tr}}_y^n(R_N\cos L),{\mathrm{tr}}_z^n)}^{\′}\]$

(δL_V,δλ_V,δZ_V)'＝(L'_V,λ'_V,Z'_V)'-(L_V,λ_V,Z_V)'

实例2：惯导/水声测距信息对潜器跟踪定位方法

水下自主潜器在军民领域已获得广泛的应用，特别是具备多种作业功能的勘查水下自主潜器(SurveyAUV)已成为系列化得货架商品。通常这些潜器均由携带它们的母船投放，并根据设定的程序开始工作。它们的体积不大，载荷有限，通常不会装备价格昂贵的高精度导航系统，但是作业任务通常要求它们在水下长时间勘察测绘作业，勘查和测绘数据均要求精确的导航定位。基于水声双测距的准短基线与超短基线相比，价格低廉，易于实现，借助惯性导航系统/准短基线水声定位组合及相关算法，同样可对潜器实施跟踪定位。

当惯性导航系统正常工作时，根据惯导系统的输出数据(X_V,Y_V,Z_V)'或(L_V,λ_V,Z_V)'可求得被跟踪协同目标的位置(X_tr,Y_tr,Z_tr)'或者(L_tr,λ_tr,Z_tr)'。

投放水下作业潜器的母船，均为大型水面舰船。它们通常装备有较完备的导航定位设备，如卫星导航系统或(和)惯性导航系统。在投放潜器并对其跟踪作业时，母船自身的位置信息准确已知。因此，对潜器跟踪导航的算法则是：首先，测定潜器应答器的相对视在位置，再根据母船准确的自身位置和INS/准短基线组合求得潜器的准确位置数据。

惯导系统安装在潜器上，载体坐标基准与惯导系统匹配一致，其直角地理坐标系(北、东、地)中的位置为：(X_V,Y_V,Z_V)'，经纬度坐标为(L_V,λ_V,Z_V)'，声基阵在潜器安装与载体坐标系一致。

基于潜器地理位置(X_V,Y_V,Z_V)'或(L_V,λ_V,Z_V)'准确已知，可利用准短基线的原始定位信息确定携带应答器的潜器位置。应答器在声基阵，也即载体水平坐标系中的视在位置为 ${({\mathrm{tr}}_x^V,{\mathrm{tr}}_y^V,{\mathrm{tr}}_z^V)}^{\′}={(R_{x1},R_{y1},Z)}^{\′}.$

1)潜器应答器在直角地理坐标系中的位置

潜器应答器“视在位置”转换为相对载体惯导系统坐标原点的地理坐标系：

${({\mathrm{tr}}_x^n,{\mathrm{tr}}_y^n,{\mathrm{tr}}_z^n)}^{\′}=C_V^n\×{({\mathrm{tr}}_x^V,{\mathrm{tr}}_y^V,t_z^V)}^{\′}$

考虑到已是载体水平坐标系中的视在位置，所以转换矩阵中只包含航向信息，即：

$C_V^n=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ψ}& sin\mathrm{\ψ}& 0\\ -sin\mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\ψ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

2)求取潜器应答器准确地理位置

潜器应答器直角地理坐标系准确位置：

${(X_{tr},Y_{tr},Z_{tr})}^{\′}={(X_V,Y_V,Z_V)}^{\′}+{({\mathrm{tr}}_x^n,{\mathrm{tr}}_y^n,{\mathrm{tr}}_z^n)}^{\′}$

潜器应答器在地理经纬度坐标系中的准确位置：

${(L_{tr},{\mathrm{\λ}}_{tr},Z_{tr})}^{\′}=\[{(L_V,{\mathrm{\λ}}_V,Z_V)}^{\′}-{({\mathrm{tr}}_x^n/R_M,{\mathrm{tr}}_y^n(R_N\cos L),{\mathrm{tr}}_z^n)}^{\′}\]$

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法，其特征在于，具体过程为：

(1)在水下运载体的艏、艉两端各安装一个声学询问器，并确定两询问器之间的间距；在运载体艉端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水下运载体周围的应答器共同构成“准短基线”定位系统；

(2)定义以艉端询问器为原点、以艉端询问器和艏端询问器在艉端询问器所在水平面内的投影的连线为y轴的右手系为载体水平坐标系；

(3)在运载体上安装惯导系统，惯导系统安装位置与水下运载体艉端的询问器一致；

(4)运载体开始行进并利用惯导系统实现导航，行进一段时间后，在需要对惯导系统积累误差进行校准时，艏、艉两端的两个询问器顺次发出询问信号，利用声学测距原理分别获得两询问器至应答器的距离；

(5)根据两询问器至应答器的距离以及深度传感器测量的深度信息，计算应答器在载体水平坐标系的位置信息；

(6)根据应答器在载体水平坐标系位置信息和已知的应答器在导航坐标系的位置信息，计算出水下运载体在导航坐标系中的位置信息，利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声组合定位。

2.根据权利要求1所述基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法，其特征在于，所述应答器为已经布设于海底的应答器，或为由水下运载体自动投放的应答器；当为水下运载体自动投放的应答器时，所述应答器位于浮标上，且浮标上装备有卫星导航接收天线，应答器在导航坐标系中的位置信息由接收天线接收。

3.根据权利要求1所述基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法，其特征在于，所述计算应答器在载体水平坐标系的位置信时，其横坐标由运载体艏向幅值变化和艏向角确定。