CN105526931A - 一种基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法，包括以下步骤：(1)、在海区布放1枚海底应答器，并测量出此海底应答器的准确位置，海底应答器的作用范围为6km，由此对水下航行器形成了以海底应答器为球心、半径为6km的球形覆盖区域；(2)、航行器发射周期为8s询问脉冲，当航行器进入海底应答器的覆盖区域时，海底应答器接收到询问脉冲后产生应答信号，航行器基于应答信号和自身组合导航测量结果进融合，形成提高导航精度的导航路径，具有导航精度高的优势，且随着时间的累积优势越明显；与长基线导航定位方法相比，只需布放单个海底应答器即可覆盖较大的导航区域，大幅提高了费效比并降低了工程风险。<!-- 2 -->

Description

一种基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法

技术领域

本发明涉及水下目标导航定位技术领域，尤其涉及一种基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法。

背景技术

水下航行器的导航定位是水声技术领域关注的一个重要问题。水下航行器目前主要有两种导航方式，一种是以惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)为主的组合导航方法，参与组合导航的主要包括GPS、静电陀螺监控器、地形辅助导航系统、多普勒测速系统(DopplerVelocityLog，DVL)及推算船位等。INS的精度主要取决于惯性器件，导航精度误差会随着时间的积累不断增加。第二种是长基线水下航行器导航定位方法，依赖布放于海底的多个水声应答器进行球面交汇对航行器进行导航。长基线的导航定位精度较高，但多个海底应答器覆盖的导航区域有限，效率偏低，且需要对多个海底应答器进行布放回收，工程实施复杂性及风险较大。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法。该方法是预先在水下航行器的活动区域布放一个海底应答器，并测出其位置信息，水下航行器发射周期性的询问信号，应答器收到询问信号后产生应答信号，航行器通过估计应答信号的时延可测量出与应答器之间的距离及精度，最后通过数据融合将海底应答器的测距结果与航行器自身组合导航的测量结果进行空间交汇后可大幅提高导航精度，且随着询问脉冲周期不断减小，导航定位精度将逐渐提高。与传统的水下航行器组合导航技术相比，具有导航精度高的优势，且随着时间的累积优势越明显；与长基线导航定位方法相比，只需布放单个海底应答器即可覆盖较大的导航区域，大幅提高了费效比并降低了工程风险。

本发明所采用的技术方案是：基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法，包括以下步骤：

(1)、在海区布放1枚海底应答器，并测量出此海底应答器的准确位置，海底应答器的作用范围为6km，由此对水下航行器形成了以海底应答器为球心、半径为6km的球形覆盖区域；

(2)、航行器发射周期为8s询问脉冲，当航行器进入海底应答器的覆盖区域时，海底应答器接收到询问脉冲后产生应答信号，航行器基于应答信号和自身组合导航测量结果进融合，形成提高导航精度的导航路径。

作为本方案的一个优选的技术方案，所述的组合导航采用GPS、惯性导航系统和多普勒测速系统的组合方式。

作为本方案的一个优选的技术方案，所述的应答信号和自身组合导航测量结果进融合的过程为：

建立坐标系统，假定航行器的深度不发生变化，将模型简化为二维平面内的运动；

选取潜艇位置、速度、加速度作为系统的状态；

航行器下潜前由GPS提供准确的初始位置，下潜后由惯性导航系统测量航向角和加速度，多普勒测速系统测量航行器相对于海底的速度，假定航行器的位置x、y，沿纵轴航行方向的对地速度u，垂直于纵轴方向的对地速度v，则导航模型可建立如下非线性状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=u\sin \mathrm{\&theta;}-v\cos \mathrm{\&theta;}+n_1\\ \frac{dy}{dt}=u\cos \mathrm{\&theta;}+v\sin \mathrm{\&theta;}+n_2\\ \frac{du}{dt}=a_u+n_3\\ \frac{dv}{dt}=a_v+n_4\\ {(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2=r^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中θ为航向角，x_s、y_s为应答器坐标，r为航行器与海底应答器之间的距离，a为加速度，n为系统噪声；

采用航迹推算数据融合方法，在状态方程的基础上进行航迹推算，即根据航行器t_k及之前时刻的状态推算t_k+1时刻的状态，已知初始位置和航向，利用惯性导航系统和多普勒测速系统提供的数据依次递推，即可计算出任意时刻的位置和航向，推算方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+\frac{{\mathrm{dx}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\\ y_{k+1}=y_k+\frac{{\mathrm{dy}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\\ \begin{array}{cc}{(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中Δr为应答器的测距精度，T为询问脉冲的发射周期，考虑到实际情况，式(2)可进一步表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{sin\&theta;}}_i\\ y_{k+1}=y_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_i\\ \begin{array}{cc}{(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中θ_i为t_i时刻的航向角，d_i为t_i时刻至t_i+1时刻的航行距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有导航精度高的优势，且随着时间的累积优势越明显；与长基线导航定位方法相比，只需布放单个海底应答器即可覆盖较大的导航区域，大幅提高了费效比并降低了工程风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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本申请实施例的航向坐标系示意图；

图2本申请实施例的水下航行器导航误差动态变化示意图；

图3本申请实施例的东向位置误差随时间变化关系；

图4本申请实施例的北向位置误差随时间变化关系。

具体实施方式

为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例一

如如1、图2所示，本实施例所述的基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法具体实现过程如下：

1、在海区布放1枚海底应答器，并测量出它的准确位置。海底应答器的作用范围为6km，由此对水下航行器形成了以应答器为球心、半径为6km的球形覆盖区域；

2、航行器发射周期为8s询问脉冲，当航行器进入应答器的的有效覆盖区域时，应答器接收到询问脉冲后产生应答信号，航行器基于应答信号和自身组合导航测量结果进融合，从而提高导航精度。

下面详细介绍基于海底应答器的水下航行器组合导航方法解算过程：

基于海底应答器的水下航行器组合导航方法坐标系统如图1所示，假定航行器的深度不发生变化，模型可简化为二维平面内的运动。选取具有代表性的潜艇位置、速度、加速度作为系统的状态。航行器的组合导航采用采用GPS、惯性导航系统和多普勒测速系统的组合方式，即GPS+INS+DVL。航行器下潜前由GPS提供准确的初始位置，下潜后由INS测量航向角(与正北方向的夹角)和加速度，多普勒速度计测量航行器相对于海底的速度。假定航行器的位置x、y，沿纵轴航行方向的对地速度u，垂直于纵轴方向的对地速度v，则导航模型可建立如下非线性状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=u\sin \mathrm{\&theta;}-v\cos \mathrm{\&theta;}+n_1\\ \frac{dy}{dt}=u\cos \mathrm{\&theta;}+v\sin \mathrm{\&theta;}+n_2\\ \frac{du}{dt}=a_u+n_3\\ \frac{dv}{dt}=a_v+n_4\\ {(x-x_s)}^2+{(y-y_s)}^2=r^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中θ为航向角，xs、ys为应答器坐标，r为航行器与应答器之间的距离，a为加速度，n为系统噪声。

航迹推算是常用的一种数据融合方法，在状态方程的基础上进行航迹推算，即根据航行器tk及之前时刻的状态推算tk+1时刻的状态。已知初始位置和航向，利用INS和DVL的提供的数据依次递推，就可以计算出任意时刻的位置和航向。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_k+\frac{{\mathrm{dx}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\\ y_{k+1}=y_k+\frac{{\mathrm{dy}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\\ \begin{array}{cc}{(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中Δr为应答器的测距精度，T为询问脉冲的发射周期。考虑到实际情况，式(2)可进一步表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k+1}=x_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{sin\&theta;}}_i\\ y_{k+1}=y_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_i\\ \begin{array}{cc}{(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中θ_i为ti时刻的航向角，di为ti时刻至ti+1时刻的航行距离。

方法验证

下面给出用本发明所述方法对水下航行器进行导航的验证结果。验证中，航行器初始航向角60°，航速4m/s；INS中陀螺常值漂移0.01°/h，随机漂移0.001°/h，加速度表零偏为0.0001g，g为重力加速度；GPS的位置误差均值为5m；DVL误差为0.05m/s；询问脉冲发射周期8s，应答器测距精度为10m。

图3、图4分别为东向和北向的位置误差随时间的变化关系，并将本发明方法与基于惯导和多普勒测速系统的组合导航进行了对比。从图中可以看出，在开始的300s阶段，本发明方法与INS+DVL组合导航精度一致，但随着时间的累积，INS+DVL组合导航误差迅速增大至200m以上，而本发明方法导航误差基本小于50m。因此可见，基于海底应答器的组合导航精度明显优于惯导和多普勒测速系统的组合导航。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、在海区布放1枚海底应答器，并测量出此海底应答器的准确位置，海底应答器的作用范围为6km，由此对水下航行器形成了以海底应答器为球心、半径为6km的球形覆盖区域；

(2)、航行器发射周期为8s询问脉冲，当航行器进入海底应答器的覆盖区域时，海底应答器接收到询问脉冲后产生应答信号，航行器基于应答信号和自身组合导航测量结果进融合，形成提高导航精度的导航路径。

2.根据权利要求1所述的基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法，其特征在于：所述的组合导航采用GPS、惯性导航系统和多普勒测速系统的组合方式。

3.根据权利要求1所述的基于单个海底应答器的水下航行器组合导航方法，其特征在于：所述的应答信号和自身组合导航测量结果进融合的过程为：

建立坐标系统，假定航行器的深度不发生变化，将模型简化为二维平面内的运动；

选取潜艇位置、速度、加速度作为系统的状态；

航行器下潜前由GPS提供准确的初始位置，下潜后由惯性导航系统测量航向角和加速度，多普勒测速系统测量航行器相对于海底的速度，假定航行器的位置x、y，沿纵轴航行方向的对地速度u，垂直于纵轴方向的对地速度v，则导航模型可建立如下非线性状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=u\sin \mathrm{\&theta;}-v\cos \mathrm{\&theta;}+n_1\\ \frac{dy}{dt}=u\cos \mathrm{\&theta;}+v\sin \mathrm{\&theta;}+n_2\\ \frac{du}{dt}=a_u+n_3\\ \frac{dv}{dt}=a_v+n_4\\ {\left(x-x_s\right)}^2+{\left(y-y_s\right)}^2=r^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中θ为航向角，x_s、y_s为应答器坐标，r为航行器与海底应答器之间的距离，a为加速度，n为系统噪声；

采用航迹推算数据融合方法，在状态方程的基础上进行航迹推算，即根据航行器t_k及之前时刻的状态推算t_k+1时刻的状态，已知初始位置和航向，利用惯性导航系统和多普勒测速系统提供的数据依次递推，即可计算出任意时刻的位置和航向，推算方程如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{k+1}=x_k+\frac{{\mathrm{dx}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t& \\ y_{k+1}=y_k+\frac{{\mathrm{dy}}_k}{dt}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t& \\ {(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中Δr为应答器的测距精度，T为询问脉冲的发射周期，考虑到实际情况，式(2)可进一步表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{k+1}=x_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{sin\&theta;}}_i& \\ y_{k+1}=y_0+\underset{i=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{d}_i\&CenterDot;{\mathrm{cos\&theta;}}_i& \\ {(r_k-\mathrm{\&Delta;}r)}^2\&le;{(x_k-x_s)}^2+{(y_k-y_s)}^2\&le;{(r_k+\mathrm{\&Delta;}r)}^2& k\mathrm{\&Delta;}t=nT\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中θ_i为t_i时刻的航向角，d_i为t_i时刻至t_i+1时刻的航行距离。