CN105241442A - 基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法，具体过程为：在潜器上惯导系统所在的位置安装声学询问器和深度传感器；潜器开始行进并利用惯性导航系统实现导航，当需要对惯导系统积累误差进行校准时，确定潜器附近的应答器；在时刻t₁和时刻t₂，令潜器上的声学询问器与应答器之间进行通信，设惯导系统在t₁与t₂时刻的误差相同，利用t₁与t₂时刻声学询问器所处不同位置，使其与应答器之间构成“虚拟短基线”定位系统；利用所述“虚拟短基线”定位系统进行定位，利用应答器的位置已知或通过浮标上卫星导航天线获取，计算潜器在导航坐标系中的位置信息，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。

Description

基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/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“虚拟短基线”定位系统的惯导/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，但是潜器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，本发明的目的是针对传统短基线定位系统的换能器布置方案对潜器要求较高的问题，提出适合于潜器应用的“虚拟短基线”定位的概念，并基于“虚拟短基线”提出一种惯性导航和水声定位组合方法。

本发明通过以下方案来实现：

一种基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法，具体过程为：

(1)在潜器上惯导系统所在的位置安装声学询问器和深度传感器；

(2)潜器开始行进并利用惯性导航系统实现导航，当需要对惯导系统积累误差进行校准时，判断潜器附近是否有应答器，若有进入步骤(4)，否则，进入步骤(3)；

(3)潜器向水面投放一个装备有卫星导航接收天线和应答器的浮标；

(4)在时刻t₁和时刻t₂，令潜器上的声学询问器与应答器之间进行通信，设惯导系统在t₁与t₂时刻的误差相同，利用t₁与t₂时刻声学询问器所处不同位置，使其与应答器之间构成“虚拟短基线”定位系统；

(5)利用所述“虚拟短基线”定位系统进行定位，利用应答器的位置已知或通过浮标上卫星导航天线获取，计算潜器在导航坐标系中的位置信息，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。

进一步地，本发明所述步骤(4)的具体过程为：

401，潜器上的声学询问器与应答器进行通信，在时刻t₁测得潜器与应答器之间距离幅值R(t₁)，记录应答器的地理位置(λ_tr′(t₁),L_tr′(t₁))、潜器深度Z(t₁)和惯导系统输出的位置信息(λ_V′(t₁),L_V′(t₁))，根据R(t₁)和Z(t₁)计算R(t₁)在水平面内的投影R_xy(t₁)；

402，潜器航行设定时间后，在时刻t₂测得潜器与应答器之间距离幅值R(t₂)，记录应答器的地理位置(λ_tr′(t₂),L_tr′(t₂))、潜器深度Z(t₂)和惯导系统输出的位置信息(λ_V′(t₂),L_V′(t₂))，根据R(t₂)和Z(t₂)距离幅值R(t₂)在水平面内的投影R_xy(t₂)；

403，令B₁点为时刻t₁时的潜器位置点；令B₂′点的坐标为(λ_B2，L_B2)，如果应答器在时刻t₁到时刻t₂时间段内未移动，则令B₂′点为时刻t₂时的潜器位置点；如果应答器在时刻t₁到时刻t₂时间段内有移动，则令B₂′点为时刻t₂时的潜器条件位置，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{B2}={\mathrm{\λ}}_V^{\′}\left(t_2\right)-\left({\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}\right(t_2)-{\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\\ L_{B2}=L_V^{\′}\left(t_2\right)-\left(L_{tr}^{\′}\right(t_2)-L_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\end{array}\right.$

404，以B₁为原点，以B₁与B₂′的连线在B₁水平面内投影为y轴构成右手载体水平坐标系；在载体水平坐标系上，形成在B₂′点存在有虚拟询问器，使其与应答器之间构成“虚拟短基线”定位系统。

进一步地，本发明步骤(5)的过程为：

首先，计算B₁与B₂′间的距离D，

其次，根据所述距离D计算得出应答器相对载体水平坐标系原点B₁位置信息，

$R_{y1}=\frac{R_{xy1}^2-R_{xy2}^2+D^2}{2D},R_{x1}=\±\sqrt{R_{xy1}^2-R_{y1}^2}$

其中，R_xy1＝R_xy(t₁)，

再次，基于应答器的位置已知或通过浮标上的卫星导航天线获取，计算出潜器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，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。

有益效果

本发明通过利用“虚拟短基线”定位系统与惯导系统的组合形式来实现定位导航，相比于传统短基线水声定位系统，其只需在潜器上安装一个询问器(换能器)即可实现。

附图说明

图1为虚拟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。

设潜器上惯导系统位置处安装有深度传感器和水声换能器(询问器)；潜器航行长时间后，惯导系统积累有位置误差需进行校准。此时，若潜器周围存在应答器(例如周围海域的海底存在位置信息已知的应答器)，则利用其周围存在的应答器进行定位，若潜器周围不存在应答器，此时潜器向水面投放一装备有卫星导航接收天线和应答器的浮标，浮标地理经纬度，由卫星导航接收天线准确接收。潜器上询问器在t₁时刻测得潜器与浮标之间距离幅值R(t₁)，并记录应答器的地理位置(λ_tr′(t₁),L_tr′(t₁))、潜器深度Z(t₁)、以及潜器惯导系统输出的位置信息(即经纬度)(λ_V′(t₁),L_V′(t₁))。利用R(t₁)和Z(t₁)可求得R(t₁)在水平面内投影的幅值 $R_{xy}\left(t_1\right)=\sqrt{R^2\left(t_1\right)-Z^2\left(t_1\right)}.$

潜器航行短时间后，在t₂时刻重复前次作业，获得R(t₂)，应答器的地理位置(λ_tr′(t₂),L_tr′(t₂))、潜器深度Z(t₂)、潜器惯导系统的位置信息(即经纬度)(λ_V′(t₂),L_V′(t₂))，并根据R(t₂)和Z(t₂)求得 $R_{xy}\left(t_2\right)=\sqrt{R^2\left(t_2\right)-Z^2\left(t_2\right)}.$

因为惯导系统位置误差在短时间内相对稳定，可认为两时刻潜器的位置误差相等，因此：

设B₁点为潜器t₁时刻实际位置点(λ_V′(t₁),L_V′(t₁))，如果应答器从t₁至t₂未移动，令B₂点为潜器实际位置点，比如海底固定应答器情况。如果是浮标携带应答器，则从t₁至t₂时刻应答器位置可能会发生变化，则B₂点不是潜器t₂时刻实际位置，称之为潜器t₂条件位置点，此时B₂的坐标为(λ_B2，L_B2)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{B2}={\mathrm{\λ}}_V^{\′}\left(t_2\right)-\left({\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}\right(t_2)-{\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\\ L_{B2}=L_V^{\′}\left(t_2\right)-\left(L_{tr}^{\′}\right(t_2)-L_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\end{array}\right.$

以B₁与B₂′连线在B₁水平面内投影为y轴构成右手载体水平坐标系(x，y，z)(图1)。在载体水平坐标系下，形成在B₂点存在有虚拟询问器的虚拟短基线定位系统，即利用询问器在存在时间差t₁时刻和t₂时刻位置的不同，视t₂时刻询问器为t₁时刻的虚拟询问器，从而创造了结合压力传感器提供的深度信息解算惯导系统的准确位置的条件。惯导系统位置误差在短时间内相对稳定，可认为两时刻潜器的位置误差相等，即：

潜器南北航行200m时，纬度变化约为6sec，两时刻纬度余弦值cosL_V′(t₁)与cosL_V′(t₂)差异相对量最大约为3×10^-5，所以可认为两时刻潜器纬度的余弦值相等，即认为cosL_V′(t₁)＝cosL_V′(t₂)。

设计算B₁与B₂间的距离D：

根据上述方程有：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{x1}^2+R_{y1}^2=R_{xy1}^2\\ R_{X2}^2+{(R_{y1}-D)}^2=R_{xy2}^2\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_{x1}^2+R_{y1}^2=R_{xy1}^2& \left(1\right)\\ R_{x2}^2+R_{y1}^2-2R_{y1}D+D^2=R_{xy2}^2& \left(2\right)\end{array}\right.$

其中，R_x1表示沿x轴方向，应答器相对于B₁的距离，R_y1表示沿y轴方向，应答器相对于B₁的距离，，R_x2表示沿x轴方向，应答器相对于B₂的距离，R_xy1＝R_xy(t₁)， $R_{xy2}^2=R_{xy}\left(t_2\right).$

因为R_x1＝R_x2，所以(1)式与(2)式相减，得出应答器相对载体水平坐标系原点B₁位置信息：

$R_{y1}=\frac{R_{xy1}^2-R_{xy2}^2+D^2}{2D},R_{x1}=\±\sqrt{R_{xy1}^2-R_{y1}^2},$ R_y2＝R_y1-D

根据所计算的位置信息和应答器已知准确位置，可知潜器在导航坐标系中的位置，利用该位置信息对惯导系统进行校准。

此步求解联立方程组时会产生两个关于y轴对称的位置解，即不能确定应答器x轴位置R_x1的正负号，只能确定其绝对值。此时利用潜器航行时艏向必然产生摆动以及这种摆动必然会反映R_x1幅值变化的特性，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潜器相对距离、方位以及惯导位置误差幅值等因素约束的判断算法，消除潜器位置不定性，求得包括正负号在内的确定位置信息。即与准短基线双测距方法相同，利用惯导系统角速率数据与测距数据变化的函数关系消除x轴向的不定。虚拟短基线单测距情况下，潜器巡航或者航渡过程中，即使在保持直航向情况下，即使风平浪静其艏向也会有±2°～3°的摆幅，R_xy也会有轻微的改变。根据艏向角速率与R_xy幅值变化以及R_y1数值的函数关系： 表示R_x1的幅值变化，表示艏向角的变化，只需在测距过程中检测这轻微变动，即可建立用以消除R_x不定性的逻辑关系算法，确定R_x的准确数值。

根据虚拟短基线算法得到的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。为了使虚拟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；即利用应答器的位置已知或通过浮标上卫星导航天线获取，计算潜器在导航坐标系中的位置信息，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合定位。

实例1：

惯导/水声组合的用于水下校准方法

装备有惯导/虚拟短基线系统的潜器在长时间航行过程中需对其惯导系统进行校准时，利用虚拟短基线换能器在短时间间隔内两次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/虚拟短基线系统据此即可计算得到潜器准确位置信息，从而对惯导系统进行校准。

根据所述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)'。声基阵安装在潜器，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)'，可利用虚拟短基线的原始定位信息校准惯导系统。t₁时刻应答器在声基阵，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)虚拟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)}^{\′}=\[{(X_{tr},Y_{tr},Z_{tr})}^{\′}-{({\mathrm{tr}}_x^n,{\mathrm{tr}}_y^n,n_z^n)}^{\′}\]$

(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/水声组合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。基于水声单测距的虚拟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/虚拟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。

当潜器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/虚拟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，可利用虚拟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：

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

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“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法，其特征在于，具体过程为：

(1)在潜器上惯导系统所在的位置安装声学询问器和深度传感器；

(2)潜器开始行进并利用惯性导航系统实现导航，当需要对惯导系统积累误差进行校准时，判断潜器附近是否有应答器，若有进入步骤(4)，否则，进入步骤(3)；

(3)潜器向水面投放一个装备有卫星导航接收天线和应答器的浮标；

(4)在时刻t₁和时刻t₂，令潜器上的声学询问器与应答器之间进行通信，设惯导系统在t₁与t₂时刻的误差相同，利用t₁与t₂时刻声学询问器所处不同位置，使其与应答器之间构成“虚拟短基线”定位系统；

(5)利用所述“虚拟短基线”定位系统进行定位，利用应答器的位置已知或通过浮标上卫星导航天线获取，计算潜器在导航坐标系中的位置信息，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。

2.根据权利要求1所述基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体过程为：

401，潜器上的声学询问器与应答器进行通信，在时刻t₁测得潜器与应答器之间距离幅值R(t₁)，记录应答器的地理位置(λ′_tr(t₁),L'_tr(t₁))、潜器深度Z(t₁)和惯导系统输出的位置信息(λ'_V(t₁),L'_V(t₁))，根据R(t₁)和Z(t₁)计算R(t₁)在水平面内的投影R_xy(t₁)；

402，潜器航行设定时间后，在时刻t₂测得潜器与应答器之间距离幅值R(t₂)，记录应答器的地理位置(λ′_tr(t₂),L'_tr(t₂))、潜器深度Z(t₂)和惯导系统输出的位置信息(λ'_V(t₂),L'_V(t₂))，根据R(t₂)和Z(t₂)距离幅值R(t₂)在水平面内的投影R_xy(t₂)；

403，令B₁点为时刻t₁时的潜器位置点；令B′₂点的坐标为(λ_B2，L_B2)，如果应答器在时刻t₁到时刻t₂时间段内未移动，则令B′₂点为时刻t₂时的潜器位置点；如果应答器在时刻t₁到时刻t₂时间段内有移动，则令B′₂点为时刻t₂时的潜器条件位置，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{B2}={\mathrm{\λ}}_V^{\′}\left(t_2\right)-\left({\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}\right(t_2)-{\mathrm{\λ}}_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\\ L_{B2}=L_V^{\′}\left(t_2\right)-\left(L_{tr}^{\′}\right(t_2)-L_{tr}^{\′}(t_1\left)\right)\end{array}\right.$

404，以B₁为原点，以B₁与B′₂的连线在B₁水平面内投影为y轴构成右手载体水平坐标系；在载体水平坐标系上，形成在B′₂点存在有虚拟询问器，使其与应答器之间构成“虚拟短基线”定位系统。

3.根据权利要求2所述基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/水声组合导航方法，其特征在于，步骤(5)的过程为：

首先，计算B₁与B′₂间的距离D，

其次，根据所述距离D计算得出应答器相对载体水平坐标系原点B₁位置信息，

$R_{y1}=\frac{R_{xy1}^2-R_{xy2}^2+D^2}{2D},R_{x1}=\±\sqrt{R_{xy1}^2-R_{y1}^2}$

其中，R_xy1＝R_xy(t₁)，

再次，基于应答器的位置已知或通过浮标上的卫星导航天线获取，计算出潜器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，再利用所述位置信息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。