CN105157701A - 一种水下位置基准布设的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下位置基准布设的方法，具体过程为：步骤一，对水下载体上装载的惯性导航系统进行标定；步骤二，水下载体开始释放并布设水下位置基准；步骤三，根据惯性导航系统输出的准确位置信息和水下位置基准在超短基线基阵坐标系中的位置信息，利用超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系，对水下位置基准在导航坐标系中的位置进行标定；步骤四，水下载体继续在水中行进，利用当前布设的位置精确已知的位置基准与超短基线水声定位系统进行水声通信，计算出水下载体的精确位置信息，利用所述位置信息对惯性导航系统进行标定；步骤五，水下载体投放并布设新的水下位置基准。本发明可实现同时布设新的位置基准和水下载体的行进。

Description

一种水下位置基准布设的方法

技术领域

本发明属于惯性导航与水声定位技术领域，具体涉及一种水下位置基准布设的方法。

背景技术

水下位置基准的布设及其位置的准确标定是水下导航系统的重要基础，传统利用超短基线系统对单个水下基准进行布设，需要对其绝对位置进行精确标定，一般有以下方法：一是在水面的母船通过接收到的GPS信息，使用超短基线系统利用其可以测量方位和距离的特性，对水下位置基准进行标定。虽然随着技术进步超短基线水声定位系统的定位精度在不断提高，但水面母船相对于深海海底位置基准较远距离的情况下，并且会受到海面波浪、海水密度等其它误差源的影响，会产生较大的误差，不太适用于对水下位置基准的高精度标定。二是装载高精度GPS导航设备的水面母船以水下位置基准在水面的投影为中心，以大约应答器在水中的深度为半径进行圆周运动，在行进过程中不断与水下位置基准应答器进行通讯，记录多个位置点与水下位置基准的距离，通过方程组进行多次迭代计算水下位置基准的精确位置。其基本原理与GPS或长基线水声定位原理相似。此方法相对精度较高，但成本较高，过程繁琐。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种水下位置基准布设的方法，该方法利用初始位置精确已知的惯性导航系统，通过水声超短基线系统使水下运载体对水下位置基准进行准确布设，并且可同时对水下运载体自身位置进行不断标校的方法。

本发明通过以下方案来实现：

一种水下位置基准布设的方法，具体过程为：

步骤一，在水下载体运行的初始位置，对水下载体上装载的惯性导航系统进行标定；

步骤二，待水下载体在水中行进设定时间或距离后，水下载体开始释放并布设水下位置基准；

步骤三，根据惯性导航系统输出的准确位置信息，利用水下载体上装载的超短基线水声定位系统，测得当前布设的水下位置基准在超短基线基阵坐标系中的位置信息；根据上述两位置信息，利用超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系，对水下位置基准在导航坐标系中的位置进行标定；

步骤四，水下载体继续在水中行进，利用当前布设的位置精确已知的位置基准与超短基线水声定位系统进行水声通信，计算出水下载体的精确位置信息，利用所述位置信息对惯性导航系统进行标定；

步骤五，水下载体投放并布设新的水下位置基准，然后重复步骤三和步骤四，直至布设完所有的水下位置基准为止。

进一步地，设惯导坐标系与载体坐标系重合，超短基线基阵坐标系与惯导坐标系不存在失调角度，只存在线性偏移；根据水下载体结构图和超短基线基阵安装位置可计算得出所述线性偏移量；根据惯性坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵和所述线性偏移量，计算出超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系。

有益效果

第一，本发明水下载体在水中行进的过程中不断用已精确标定过的水下位置基准，通过超短基线水声定位系统对其自身的惯导系统进行标校，同时布设新的位置基准，实现了水下载体同时行进，同时进行位置基准布设，并有效保证定位精度。

第二，本发明的特点在于利用在水下行进的载体进行位置基准的布设，避免了水面母船携带超短基线定位系统对水下位置基准进行布设时，由于距离过长引起的精度不足问题，同时也有效降低了远距离条件下由于海水密度影响造成声线弯曲给超短基线定位系统带来的误差问题，可使水下运载体在进行水下位置基准的布设，同时对自己的准确位置进行标校，极大提高了水下位置基准布设过程中的作业效率和标定精度。

附图说明

图1为水下载体布设水下位置基准的原理示意图；

图2为水下载体对水下位置基准同时布设与导航方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1-2所示，本发明一种水下位置基准布设的方法，具体过程为：

步骤一，在水下载体运行的初始位置，对水下载体上装载的惯性导航系统进行精确标定；建立北-东-地坐标系，其初始位置在导航坐标系中的位置精确已知。

步骤二，初始位置精确标定以后，水下载体开始在水中行进，根据惯性导航系统误差随时间积累逐渐变大的特性，在保证定位精度的前提下，选择合适距离，水下载体开始释放并布设水下位置基准；

步骤三，根据水下载体装载的惯性导航系统输出的准确位置信息，利用水下载体上装载的超短基线水声定位系统，测得超短基线水声定位系统上基阵与当前布设的水下位置基准的斜距和方位角，即测得当前布设的水下位置基准在超短基线基阵坐标系中的位置信息，根据导航系统输出的位置信息和水声定位系统输出的位置信息，利用超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系，计算出水下位置基准在导航坐标系中的位置，实现精确的位置标定；

步骤四，水下载体继续在水中行进，根据超短基线水声定位系统的定位精度范围，在保证其高精度定位距离之内，利用当前布设的位置精确已知的位置基准与超短基线基阵进行水声通信，根据坐标转换原理求出水下载体的精确位置信息，利用所求解的位置信息对惯性导航系统进行标定，保证水下载体在导航坐标系中的位置精度；

步骤五，经过标校后的水下载体，其自身位置精确已知，即可投放并布设新的水下位置基准，然后重复步骤三和步骤四，直至布设完所有的水下位置基准为止。

本发明水下载体在水中行进的过程中不断用已精确标定过的水下位置基准，通过超短基线水声定位系统对其自身的惯导系统进行标校，同时布设新的位置基准，实现了水下载体同时行进，同时进行位置基准布设，并有效保证定位精度。

实例：

本实例中设惯性坐标系与载体坐标系重合，超短基线基阵坐标系与惯导坐标系不存在失调角度，只存在线性偏移；根据水下载体结构图和超短基线基阵安装位置可计算得出所述线性偏移量；根据惯性坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵和所述线性偏移量，计算出超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系。具体如下：

水下载体装备有惯性导航系统，其初始位置在导航坐标系中的坐标精确已知，惯性坐标系坐标与载体坐标系完全重合，惯性坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵为

$\begin{array}{c}{C}_i^n=\\ \left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z& -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z\\ {\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z\\ -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y& {\mathrm{sin\ω}}_x& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y\end{array}\right]\end{array}$

其中，ω_x、ω_y及ω_z分别表示载体相对导航系在北、东、地三个方向的摇摆角度参数。

设超短基线基阵坐标系与惯性坐标系不存在失调角度，只有线性偏移 $D_{xxpy}=\left[\begin{array}{c}{d}_x\\ d_y\\ d_z\end{array}\right].$ 水下运载体在行进过程中即可释放并布设新的水下位置基准，利用惯性导航系统输出的位置信息，通过超短基线定位系统对水下位置基准进行精确定位，得到水下位置基准在导航坐标系中的精确位置坐标。

设第m个水下位置基准在超短基线基阵坐标系中的位置信息为 $J_m=\left[\begin{array}{c}{j}_{xm}\\ j_{ym}\\ j_{zm}\end{array}\right],$ 惯性坐标系在布设第m个水下位置基准时在导航坐标系中的精确位置信息为 $I_m=\left[\begin{array}{c}{i}_{xm}\\ i_{ym}\\ i_{zm}\end{array}\right],$ 则可以得到水下运载体在行进过程中布设的第m个水下位置基准在导航坐标系中的精确位置信息应为: $N_m=\left[\begin{array}{c}{n}_{xm}\\ n_{ym}\\ n_{zm}\end{array}\right]=I_m+C_i^n\×(J_m+D_{xxpy})=\left[\begin{array}{c}{i}_{xm}\\ i_{ym}\\ i_{zm}\end{array}\right]+$ $\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z& -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z\\ {\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z\\ -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y& {\mathrm{sin\ω}}_x& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y\end{array}\right]\×\\ \left(\left[\begin{array}{c}{j}_{xm}\\ j_{ym}\\ j_{zm}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{d}_x\\ d_y\\ d_z\end{array}\right]\right)\end{array}$

完成第m个水下位置基准的布设以后，水下运载体继续保持行进状态，在保证超短基线定位系统定位精度的距离范围内，进行对m+1个水下位置基准的布设；这时由于已经对第m个水下位置基准在导航坐标系中的位置进行了精确标定，其位置精确已知，可再次利用超短基线定位系统与第m个水下位置基准进行问答，测得相应位置信息，通过计算得出载体在导航坐标系中的精确位置，对惯导系统进行标校，来保证布设第m+1个水下位置基准的精度。则在将要布设第m+1个水下位置基准时刻载体在导航坐标系中由第m个水下位置基准测量达到的位置信息为：

$\begin{array}{c}{U}_{(m+1)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{x(m+1)}\\ u_{y(m+1)}\\ u_{z(m+1)}\end{array}\right]=N_m-C_i^n\×(J_m+D_{xxpy})=\left[\begin{array}{c}{n}_{xm}\\ n_{ym}\\ n_{zm}\end{array}\right]-\\ \left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z& -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z\\ {\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z+{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_z& {\mathrm{sin\ω}}_y{\mathrm{sin\ω}}_z-{\mathrm{sin\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y{\mathrm{cos\ω}}_z\\ -{\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{sin\ω}}_y& {\mathrm{sin\ω}}_x& {\mathrm{cos\ω}}_x{\mathrm{cos\ω}}_y\end{array}\right]\×\end{array}$ $(\left[\begin{array}{c}{j}_{xm}\\ j_{ym}\\ j_{zm}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{d}_x\\ d_y\\ d_z\end{array}\right]).$ 根据此位置信息即可对载体惯性导航系统进行标校，保证了水下运载体在水下连续行进过程中具有很高的导航精度，同时保障了后续水下位置基准布设的精确度。

本发明提供的方法在布设水下位置基准的过程中，可保证水下载体行进过程中连续具有高精度的导航位置信息，克服了传统水下位置基准布设过程中精度不够以及实施过程繁琐的问题，实现了水下载体对水下位置基准的准确布设，同时又可对自身惯性导航系统不断进行标校，具有较高的工程应用价值。

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 (2)

1.一种水下位置基准布设的方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一，在水下载体运行的初始位置，对水下载体上装载的惯性导航系统进行标定；

步骤二，待水下载体在水中行进设定时间或距离后，水下载体开始释放并布设水下位置基准；

步骤三，根据惯性导航系统输出的准确位置信息，利用水下载体上装载的超短基线水声定位系统，测得当前布设的水下位置基准在超短基线基阵坐标系中的位置信息；根据以上两位置信息，利用超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系，对水下位置基准在导航坐标系中的位置进行标定；

步骤四，水下载体继续在水中行进，利用当前布设的位置精确已知的位置基准与超短基线水声定位系统进行水声通信，计算出水下载体的精确位置信息，利用所述位置信息对惯性导航系统进行标定；

步骤五，水下载体投放并布设新的水下位置基准，然后重复步骤三和步骤四，直至布设完所有的水下位置基准为止。

2.根据权利要求1所述水下位置基准布设的方法，其特征在于，设惯导坐标系与载体坐标系重合，超短基线基阵坐标系与惯导坐标系不存在失调角度，只存在线性偏移；根据水下载体结构图和超短基线基阵安装位置可计算得出所述线性偏移量；根据惯性坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵和所述线性偏移量，计算出超短基线基阵坐标系与导航坐标系之间的转换关系。