CN105182390B - 一种运载体水下定位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种运载体水下定位的方法，具体过程为：一，在运载体上安装惯导系统和水声超短基线定位系统；二，判断水声超短基线定位系统的水声信息所能到达的范围内是否存在水下应答器，若存在，进入步骤六，否则，进入步骤三；三，运载体释放安装有GPS接收器的浮标；四，运载体接收浮标的GPS信号，水声超短基线定位系统测量浮标在超短基线基阵坐标系中的位置信息；五，根据所述GPS信号和位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯导系统进行标定；六，根据水下应答器在导航坐标系中的位置信息及其在超短基线基阵坐标系中的位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯性系统进行标定。本发明实现了运载体的水下定位。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航水下系统/水声定位系统/GPS的组合导航技术领域，具体涉及一种运载体水下定位的方法。
背景技术
近半个世纪以来，由于世界各国科技、经济、军事等多方面的发展需要，促使水下目标导航定位技术得到快速发展。水下空间站、海洋勘探、海底光缆、海底管道铺设及维修、水下潜器导航定位、油气井定位、水下施工等领域都需要解决水下精确导航定位的问题。逐渐出现了一批利用水声进行定位的水声定位设备，它是基于声波在水中传播的几何关系确定目标的相对距离和方向来满足各种不同的需求。由于它的出现是根据某种特定需要而装备在特定目标上的定位手段，水声定位设备一直没有作为通用的定位导航设备装备在舰船上面。水声定位技术通常根据几何关系中用作基准的声学器件的连线作为基线，用基线的长度对声学定位系统进行分类，目前根据应用情况可分为三类：长基线、短基线和超短基线定位系统。
其中超短基线系统只有一个结构紧凑的换能器构成的声基阵，具有系统简单、安装方便、操作容易、测距精度高，换能器可以设计成与惯导系统一体化的结构，使设备即插即用、不必固定安装，而且可以通过使用多阵元基阵来提高远距离的定位精度，定位也只需询问一个应答器。由于以上特点近些年越来越多的舰船潜器使用超短基线作为声学定位设备，超短基线定位技术得到了迅速发展。
一般大型水下载体使用的惯导系统都具有较高的自主导航精度，但位置误差随时间不断积累。当误差积累到一定程度，水下载体必须定期浮上水面获取位置信息对惯导系统进行重调校准。延长水下载体惯导系统重调周期和水下续航时间，是提高其隐蔽性的关键。
传统将GPS水面高精度定位能力延伸到水下的方法是：一是水下运载体需要上浮至接近水面位置，释放由电缆或光纤连接的GPS接收器，使GPS接收器的天线浮出水面接收卫星信号，把获得的定位信息传送给水下的运载体，该方法得到的是水面卫星接收器的位置，而不是水下载体的真实位置，而且一些深海作业或隐蔽性要求较高的水下载体很难实现随时随地上浮至接近水面的位置。二是使用长基线系统，在水面上布设3个以上的带有GPS接收单元的浮标，通过水下运载体安装的水声问答机进行通信，得到3个以上浮标到水下运载体的距离，即可通过方程组根据球面交汇原理解算出水下运载体的准确位置。其基本原理类似于GPS定位，但具体实施过程中需要布设多个浮标，整个系统相对复杂，且海面浮标受到波浪等多种误差源的干扰，使其定位精度受到一定影响。这种方式仅能实现提前布设浮标和应答器信号所覆盖的局部范围，在其全球范围布设目前不太现实。
发明内容
有鉴于此，本发明一种运载体水下定位的方法，该方法利用浮标或水下应答器，实现了运载体的水下定位。
本发明通过以下方案来实现：
一种运载体水下定位的方法，具体过程为：
一，在运载体上安装惯导系统和水声超短基线定位系统；
二，判断水声超短基线定位系统的水声信息所能到达的范围内是否存在水下应答器，若存在，进入步骤六，若不存在，进入步骤三；
三，运载体释放安装有GPS接收器的浮标；待所述浮标上浮至海面上时，其将接收的GPS信号转换成声学信号传输出去；
四，运载体接收浮标的GPS信号，水声超短基线定位系统测量浮标在超短基线基阵坐标系中的位置信息；
五，根据所述GPS信号和位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯导系统进行标定；
六，根据水下应答器在导航坐标系中的位置信息及其在超短基线基阵坐标系中的位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯性系统进行标定。
本发明所述浮标包括GPS接收器、控制器、声学应答器以及声学换能器；其中，
控制器控制浮标的运行，GPS接收器接收表示当前浮标位置的GPS信号，所述GPS信号由声学换能器进行电-声能量转换后，经声学应答器传输出去。
有益效果
第一，本发明惯性导航系统与水声超短基线系统组合导航系统可以在水下任意深度，借助浮标直接获取准确位置信息。
第二，本发明利用惯性导航系统与水声超短基线系统的组合导航技术，可使运载体在全球任何海域在水下释放浮标，通过水声超短基线系统测得视在位置获知自身准确位置，对载体惯导系统实现重调校准，进而实现惯性导航系统/水声超短基线系统/GPS组合，成为真正意义上的水下GPS。
附图说明
图1为本发明运载体水下定位的原理示意图；
图2为本发明中浮标应答器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的设计原理为：根据惯导系统和水声超短基线定位系统的特性，利用超短基线定位系统视在位置的解算结果和声基阵坐标系及载体坐标系失调关系，利用矩阵转换原理，通过研究得到惯性导航系统与超短基线系统的组合导航系统，用于水下载体惯导系统水下重调校准算法，解决了水下载体惯导系统在水下获取位置信息、不需上浮水面即可进行重调校准的问题，实现了水下运载体通过惯性导航系统与超短基线系统的组合导航系统利用GPS信息进行水下定位的方法。
如图1-2所示，一种运载体水下定位的方法，具体过程为：
一，在运载体上安装惯导系统和水声超短基线定位系统。
二，判断水声超短基线定位系统的水声信息所能到达的范围内是否存在浮标，若存在浮标，水声超短基线定位系统可以接收当前已有浮标的位置信息，此时进入步骤四，若不存在浮标，则需要运载体释放新的浮标，此时进入步骤三。
三，运载体释放安装有GPS接收机的浮标，待所述浮标上浮至海面上时，其将接收的GPS信号转换成声学信号传输出去；
本发明所述浮标包括GPS接收器、控制器、声学应答器以及声学换能器；其中，
GPS接收器接收表示当前浮标位置的GPS信息，该信息通过声学换能器转换为声学信息后，经声学应答器传输出去。
本发明中水下载体在水下不用上浮，即可释放新型浮标，使浮标天线伸出水面，此浮标中包含GPD接收器部分；用来控制浮标运行的控制器部分，控制器中包含接收信息解码器和发送信息形成器；还有声学应答器部分，用来对水下惯性导航系统与水声超短基线系统的组合导航系统发送和接收声学信息；声学换能器部分，用来对声学应答器进行“电-声”和“声-电”能量转换。借助水声通讯传送给水下载体浮标位置信息，用来对惯导系统进行水下重调校准。实现了运载体长时间在水下不用上浮水面即可利用水声超短基线系统和新型浮标接收的GPS准确位置信息实现对其自身惯导系统进行重调校准，实现了真正意义上的水下GPS。
四，运载体接收浮标的在导航坐标系中的位置信息，即GPS信号，水声超短基线定位系统测量浮标在超短基线基阵坐标系中的位置信息；
五，根据所述GPS信号和位置信息，利用矩阵转换理论进行坐标转换，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯导系统进行标定；实现水下运载体不浮出水面即可对其惯导系统进行水下重调校准。
本发明构成惯性导航系统/水声超短基线定位系统/GPS组合导航系统；浮标可在水下投放，通过露出水面的天线接收GPS信号，通过水声超短基线定位系统测得浮标的“视在位置”(即浮标在超短基线基阵坐标系中的位置信息)，实现惯性导航系统/GPS组合，即真正意义上的“水下GPS”。
六，根据水下应答器在导航坐标系中的位置信息及其在超短基线基阵坐标系中的位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯性系统进行标定。
由于长航时运载体进行长时间水下航行，其惯导系统的位置误差不断积累会超出允许范围。在目前还不具备地球物理场参数匹配导航条件的情况下，水下载体必须浮出水面接收卫星导航的位置信息来对其惯导系统进行重调校准。本发明在运载体装备惯性导航系统与超短基线定位系统的组合导航系统后，在航行所致的任何海域或任何深度，需要对惯导系统进行重调校准时，如果在水声超短基线定位系统的水声信息所到达的周围几十海里范围内布设有应答器位置基准，则可利用超短基线基阵测得的应答器的“视在位置”信息通过矩阵转换理论获知自身的准确位置，实现对水下载体的惯导系统重调校准。如果在声基阵作用范围内没有应答器位置基准，则可使用如图2所示的浮标在水下释放，将浮标获得的水面卫星导航信息通过水声超短基线系统传递给水下载体的惯导系统，进行重调校准。
实例：
装备有INS/USBL组合导航系统的水下运载器在长时间航行过程中需要对其惯导系统进行重调校准，在水下根据水下布设应答器或携带应答器浮标的工作频率发出询问信号，应答器接收并发回响应信号，惯性导航系统/水声超短基线系统/GPS组合导航系统据此可通过矩阵转换理论计算水下运载体准确信息，对其惯导系统进行重调校准。
设定惯导系统在直角坐标系(北、东、地，即导航坐标系)中的位置为：(Xv，Yv，Zv)′，
应答器或浮标在超短基线基阵坐标系中的“视在位置”为：基准应答器
在东北天坐标系中的位置为：(Xw，Yw，Zw)′，水下运载体的摇摆参数为：[Φ,θ,ψ]，USBL与INS
之间存在小失调角为：线性偏移为：
载体坐标系相对导航坐标系方向余弦矩阵：
浮标“视在位置”转换为相对载体惯导系统原地的地理坐标数据：
惯导系统在直角地理坐标系中的准确位置及误差为：
(δXv,δYV,δZv)′＝(X′v,Y′v,Z′v)′-(Xv，Yv，Zv)′
惯导系统在经纬度地理坐标系中的准确位置及误差为：
(δLv,δDV,δZv)′＝(L′v,D′v,Z′v)′-(Lv，Dv，Zv)′
本发明提供的方法使水下载体长时间不用上浮即可对自身惯导系统进行重调校准，实现了运载体的精确定位功能，并为惯性导航系统和水声超短基线系统的组合导航进一步理论研究和工程分析奠定了基础。
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)
1.一种运载体水下定位的方法，其特征在于，具体过程为：
一，在运载体上安装惯导系统和水声超短基线定位系统；
二，判断水声超短基线定位系统的水声信息所能到达的范围内是否存在水下应答器，若存在，进入步骤六，若不存在，进入步骤三；
三，运载体释放安装有GPS接收器的浮标；待所述浮标上浮至海面上时，其将接收的GPS信号转换成声学信号传输出去；
四，运载体接收浮标的GPS信号，水声超短基线定位系统测量浮标在超短基线基阵坐标系中的位置信息；
五，根据所述GPS信号和位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯导系统进行标定；
六，根据水下应答器在导航坐标系中的位置信息及其在超短基线基阵坐标系中的位置信息，计算出运载体在导航坐标系中的位置并对所述惯导系统进行标定；
所述步骤五和六中惯导系统进行标定的具体过程为：
设定惯导系统在导航坐标系中的位置为(Xv，Yv，Zv)′，应答器或浮标在超短基线基阵坐标系中的“视在位置”为基准应答器在东北天坐标系中的位置为(Xw，Yw，Zw)′，水下运载体的摇摆参数为[Φ，θ，ψ]，USBL与INS之间存在小失调角为：线性偏移为：
载体坐标系相对导航坐标系方向余弦矩阵：
应答器或浮标“视在位置”转换为相对载体惯导系统原地的地理坐标数据：
惯导系统在直角地理坐标系中的准确位置及误差为：
(δXv,δYV,δZv)′＝(X′v,Y′v,Z′v)′-Xv，Yv，Zv)′
惯导系统在经纬度地理坐标系中的准确位置及误差为：
(δLv,δDV,δZv)′＝(L′v,D′v,Z′v)′-Lv，Dv，Zv)′。
2.根据权利要求1所述运载体水下定位的方法，其特征在于，所述浮标包括GPS接收器、控制器、声学应答器以及声学换能器；其中，
控制器控制浮标的运行，GPS接收器接收表示当前浮标位置的GPS信号，所述GPS信号由声学换能器进行电－声能量转换后，经声学应答器传输出去。
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