CN107478219B - 一种利用深海罗经系统的导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用深海罗经系统的导航方法，可以为深潜器的安全可靠的长航时运行提供精确的导航信息。深海罗经系统安装在深潜器上；在深潜器开始进入水但未进入预定位置过程中，深潜器以螺旋下行的轨迹进行下潜，在此过程中DSP通过纯惯性解算，为深潜器提供下潜所需导航信息；在深潜器下潜到预定位置时，FPGA经过串口从外部配套设备一次性获取并解析深潜器提供的当前位置，并不断从多普勒计程仪获取对底速度信息，发送至DSP，进行航向角校正；完成上述工作后，FPGA经过串口获取多普勒计程仪所提供的对底速度信息并发送至DSP，DSP采用速度组合方案，通过卡尔曼滤波完成系统组合导航解算，进入工作模式，连续不间断通过串口为深潜器提供导航信息。

Description

一种利用深海罗经系统的导航方法

技术领域

本发明属于深海惯导技术领域，具体涉及一种利用深海罗经系统的导航方法。

背景技术

深海蕴藏着丰富的战略资源与能源。油气、多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等新型资源具有重要的科研与商业应用前景，被誉为21世纪人类可持续发展的战略接替能源。

深海生物基因资源是近年来引起的国际关注的新型资源，在医药开发、基因疗法、环境保护等领域都有广泛的应用前景。

深海技术是实现国家海洋科技战略的重要技术保障，海洋科技水平和创新能力综合体现一个国家的科技创新能力与综合国力，海洋探测、海洋生物资源、水声通讯和资源勘探与开发技术无一不是高新技术演练的舞台。如声纳观测、海底机器人观测、水声通讯技术、深海资源勘探与开发技术和载人深潜器技术等。

一般情况下，惯性导航系统设有一个运算器与多个运动感应器，如陀螺仪和加速度计，用于持续地计算载体的位置、速度计姿态等定位定姿信息。通过获取或输入初始导航信息，并将运动感应器所测量的载体导航信息，如线速度和角速度，通过计算累加至初始导航信息，得到载体的实时导航信息。然而，运动感应器的精度误差和测量误差在工作过程中会逐渐累积，在经过较长时间后，累计误差将导致惯性系统的误差超出安全运行的范围。而且在深海领域，深水压强大，如何保证运动感应器的相对位置不变，也是对系统的考验之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深海罗经系统，可以为深潜器的安全可靠的长航时运行提供精确的导航信息。

为解决上述技术问题，本发明具体方法如下：

一种深海罗经系统，包括外壳、设置在外壳内部的电源模块、系统板、IF转换板、转接板和运动感应器，以及设置在外壳外部的外部配套设备；

IF转换板、电源模块、系统板和运动传感器均与转接板相连；

所述运动感应器包括三个方向的陀螺仪和加速度计；陀螺仪产生的数据通过转接板以报文形式传递至系统板，加速度计产生的电流通过转接板进入IF转换板转换为频率脉冲信号后通过转接板传递至系统板；

所述系统板包括核心板，以及与核心板相连的串口可配置模块、SD卡存储模块、USB读取模块及通讯接口，所述核心板包括DSP、FPGA及ARM三核系统及配套电路，所述通讯接口包括JTAG调试接口、UART调试接口及系统对外输入输出接口；所述核心板提供系统的原始数据采集、导航解算及配套电路控制的功能；串口可配置模块用于根据来自系统对外输入输出接口的串口配置信息，配置RS422或RS232作为串口，并将串口配置参数进行存储待下一次上电后读取；串口可配置模块采用配置的串口类型通过系统对外输入输出接口与外部进行通信；

核心板将采集的原始信息、导航解算结果以及系统工作状态信息存储到SD卡存储模块中；核心板根据运行程序的要求或者通过系统对外输入输出接口接收的外部命令，控制USB读取模块读取SD卡所存储信息；

所述外部配套设备包括GNSS设备与多普勒计程仪，与系统板的系统对外输入输出接口相连，系统板还通过系统对外输入输出接口还与深海罗经系统所在的深潜器进行信息交互；

转接板用于电源模块与外部供电源之间的转接，以及将电源模块提供的各种幅值的电源转接到系统内的用电模块。

优选地，串口可配置模块包括芯片MAX3160、AT24C02、ADuM1200AR和ADuM1201AR；芯片MAX3160的工作模式可选为RS232或RS422；

系统上电后，FPGA读取芯片AT24C02所存储的串口配置参数，并对串口可配置单元进行初始化；MAX3160芯片按照预定工作模式处理经过ADuM1201AR芯片隔离保护的TTL信号；若更改串口工作模式，则外部通过系统对外输入输出接口按照预定命令格式发送串口配置命令，FPGA将接收并解析的串口配置命令通过ADuM1200AR芯片发送至MAX3160芯片以控制MAX3160工作模式，并将串口配置参数写入AT24C02芯片；待系统重新上电后，配置生效。

优选地，电源模块将24V稳压电源分别转换为5V、+15V、-15V、3.3V；其中5V通过转接板为系统板、陀螺仪与IF转换板提供电源，+15V与-15V经过转接板与IF转换板为加速度计提供电源，3.3V通过转接板为系统板提供电源。

优选地，运动感应器安装在具有抗变形盘的六面体支架上，六面体支架安装在外壳的底座上；所述六面体包括三个平面，第一平面和第二平面连接为相互垂直的倒L型结构，第三平面安装在倒L型结构的内部空间内，且与第一平面和第二平面均垂直。

优选地，所述外壳包括罩筒、底座以及连接罩筒与底座的密封法兰；底座上安装有密封线缆出口，转接板和系统板引出的电源线和通讯线通过密封线缆出口引出外壳，电源线连接供电电源，通讯线连接外部配套设备。

本发明还提供了一种利用深海罗经系统的导航方法，采用上述的深海罗经系统，该方法包括如下步骤：

步骤一、深海罗经系统安装在深潜器上；深潜器未进入水内时，深海罗经系统经过配置的串口通过FPGA获取GNSS卫星信息并解析深潜器当前位置信息发送至DSP，并通过系统内置陀螺仪与加速度计获取当前的角速度与线速度，进而DSP通过卡尔曼滤波进行导航解算，完成系统对准工作，系统进入导航状态；

步骤二、在深潜器开始进入水但未进入预定位置过程中，深潜器以螺旋下行的轨迹进行下潜，在此过程中DSP通过纯惯性解算，为深潜器提供下潜所需导航信息；

步骤三、在深潜器下潜到预定位置时，FPGA经过串口从外部配套设备一次性获取并解析深潜器提供的当前位置，并不断从多普勒计程仪获取对底速度信息，发送至DSP，进行航向角校正；

步骤四、完成上述工作后，FPGA经过串口获取多普勒计程仪所提供的对底速度信息并发送至DSP，DSP采用速度组合方案，通过卡尔曼滤波完成系统组合导航解算，进入工作模式，连续不间断通过串口为深潜器提供导航信息。

优选地，步骤三所述的航向角校正采用双位置对准方式：

预先设定航向角1和航向角2，航向角1和航向角2的航向角差大于90度，小于180度；

在深潜器下潜到预定位置后，先在航向角1方向保持大于7分钟，在此期间，利用卡尔曼滤波方法，以系统和多普勒计程仪的速度差为观测量，对系统的水平姿态误差进行估计；然后转动到航向角2方向保持大于15分钟，在此期间，对系统的航向误差进行估计，并对航向角进行修正；其中，转动期间航向角角速率不超过10度/秒；

航向角校正期间，深潜器尽可能保持静止或者线速度尽可能小。

优选地，在航向角校正前，深潜器向深水罗经系统至少发送一次包含位置信息的指定格式数据包，修正深海罗经系统的导航位置。

有益效果：

(1)本发明性能稳定，定位误差小，测量精度高，结合了GNSS与多普勒计程仪的优点，可以为深潜器的安全可靠的长航时运行提供精确的导航信息。

(2)本发明设计了深海罗经系统的下潜过程，在未进入水内时、开始进入水但未进入预定位置过程中、下潜到预定位置后，采用不同的方案进行导航，并在下潜到预定位置后设计了航向角校正环节，从而保证整个系统的定位误差和测量精度保持较高水平。

(3)为了方便用户使用，进行了串口可配置设计并且可以通过UART调试接口对系统进行远程升级与调试。

(4)在结构设计中使用了抗变形盘设计，解决了运动感应器的相对位置易变的问题，满足了深海领域环境要求。

附图说明

图1为本发明深海罗经系统的组成示意图。

图2为抗变形平稳装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种深海罗经系统，如图1所示，其包括外壳、设置在外壳内部的电源模块、系统板、IF转换板、转接板和运动感应器，以及设置在外壳外部的外部配套设备。

外壳包括罩筒、底座以及连接罩筒与底座的密封法兰。底座上安装有密封线缆出口。转接板和系统板引出的电源线和通讯线通过密封线缆出口引出外壳，电源线连接外部供电电源，通讯线连接外部配套设备。

IF转换板、电源模块、系统板和运动传感器均与转接板相连。

运动感应器包括三个陀螺仪及三个加速度计，运动感应器通过抗变形平稳装置安装在底座上。抗变形平稳装置的结构参见图2，运动感应器安装在具有抗变形盘的六面体支架上，六面体支架安装在外壳的底座上；所述六面体包括三个平面，第一平面和第二平面连接为相互垂直的倒L型结构，第三平面安装在倒L型结构的内部空间内，且与第一平面和第二平面均垂直。其中，抗变形盘为高硬度的盘状结构连接件。

陀螺仪产生的数据通过转接板以报文形式传递至系统板，加速度计产生的电流通过转接板进入IF转换板转换为频率脉冲信号后通过转接板传递至系统板。

系统板包括核心板，以及与核心板相连的串口可配置模块、SD卡存储模块、USB读取模块及通讯接口，核心板包括DSP、FPGA及ARM三核系统及配套电路，通讯接口包括JTAG调试接口、UART调试接口及系统对外输入输出接口。核心板提供系统的原始数据采集、导航解算及配套电路控制的功能。

FPGA将ARM从DSP中获取的原始信息、导航结果以及系统工作状态信息存储到SD卡存储模块中；FPGA通过串口向ARM发送命令控制USB读取模块读取SD卡存储模块所存储信息。

所述JTAG调试接口可以作为系统FPGA进行硬件升级与调试接口。所述SD卡存储模块作为内部存储系统，存储系统所原始信息、导航结果以及系统工作状态信息。所述USB读取模块为系统提供无需开盖即可读取SD卡所存储数据功能，方便客户后期处理试验数据。所述GNSS、多普勒计程仪可以作为系统辅助设备。

串口可配置模块包括芯片MAX3160、AT24C02、ADuM1200AR、ADuM1201AR；系统上电，通过FPGA读取芯片AT24C02所存储的串口相关参数，并对串口可配置单元进行初始化；MAX3160芯片按照预定工作模式处理经过ADuM1201AR芯片隔离保护的TTL信号；若更改串口工作模式，则通过串口按照预定命令格式发送配置命令，FPGA将接收并解析的控制命令通过ADuM1200AR芯片高效可靠地发送至MAX3160芯片以控制MAX3160工作模式，并将控制命令写入AT24C02芯片；待系统重新上电后，配置生效。

所述外部配套设备包括GNSS设备与多普勒计程仪。

电源模块将24V稳压电源分别转换为5V、+15V、-15V、3.3V；其中5V通过转接板为系统板、陀螺仪与IF转换板提供电源，+15V与-15V经过转接板与IF转换板为加速度计提供电源，3.3V通过转接板为系统板提供电源。

该系统的基本工作流程为：加速度计采集的模拟电流信号，经IF转换板解算后，转换为频率脉冲信号及内部256K时钟与陀螺仪所发送的数据经转接板发送给系统板，FPGA以IF转换板内部256K时钟为基准解析运动传感器信息，并发送至DSP，进行导航解算，解算完毕后，将解算结果发送至FPGA，并通过串口发送给用户。

采用本发明深海罗经系统的整体导航方法，包括如下步骤：

步骤一、深海罗经系统安装在深潜器上；深潜器未进入水内时，系统在母船上经过串口通过FPGA获取GNSS卫星信息并解析深潜器当前位置信息发送至DSP，并通过系统内置陀螺仪与加速度计获取当前的角速度与线速度，进而DSP通过卡尔曼滤波进行导航解算，完成系统对准工作，系统进入导航状态；

步骤二、在深潜器开始进入水但未进入预定位置过程中，深潜器以螺旋下行的轨迹进行下潜，在此过程中DSP通过纯惯性解算，为深潜器提供下潜所需导航信息；螺旋下行可以激励误差，从而减少纯惯性解算的解算误差。

步骤三、在深潜器下潜到预定位置，FPGA经过串口从外部配套一次性获取并解析深潜器提供的当前位置，并不断从多普勒计程仪获取对底速度信息，发送至DSP，进行航向角校正。

为了保证计算的准确性，航向角校正采用双位置对准方式：

在对底速度(相对于海底的绝对速度)有效的条件下，在深潜器下潜到预定位置后，深潜器先在航向角1方向时保持大于7分钟，在此期间，利用卡尔曼滤波方法，以系统和多普勒计程仪的速度差为观测量，对系统的水平姿态误差进行估计；由于在静止环境下，系统的等效东向陀螺的漂移误差的不可观测性，导致系统的航向误差角的估计精度低，为了对航向误差角进行精确估计，通过一定的运动，增加等效东向陀螺漂移误差的可观测性；因此本发明在航向角1方向保持7分钟后，接着令深潜器转到航向角2方向，航向误差估计时间较长，至少15分钟基本完成对航向误差的估计，并对航向角进行修正，从而提高了系统航向角精度。在此阶段有如下要求：

1)要求航向角1和航向角2的航向角差大于90度，小于180度；

2)要求转动期间航向角角速率不超过10度/秒；

3)要求航向角校正期间，深潜器尽可能保持静止或者线速度尽可能小；

4)在航向角校正前，要求用户向深水罗经系统至少发送一次包含位置信息的指定格式数据包，修正深水罗经的导航位置。

步骤四、完成上述工作后，FPGA经过串口通过获取解析多普勒计程仪所提供的对底速度信息并发送至DSP，DSP采用速度组合方案，进而通过卡尔曼滤波完成系统组合导航解算，进入工作模式状态，连续不间断通过串口为深潜器提供导航信息。

至此本流程结束。

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 (7)

1.一种利用深海罗经系统的导航方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、深海罗经系统安装在深潜器上；深潜器未进入水内时，深海罗经系统经过配置的串口通过FPGA获取GNSS卫星信息并解析深潜器当前位置信息发送至DSP，并通过系统内置陀螺仪与加速度计获取当前的角速度与线速度，进而DSP通过卡尔曼滤波进行导航解算，完成系统对准工作，系统进入导航状态；

步骤二、在深潜器开始进入水但未进入预定位置过程中，深潜器以螺旋下行的轨迹进行下潜，在此过程中DSP通过纯惯性解算，为深潜器提供下潜所需导航信息；

步骤三、在深潜器下潜到预定位置时，FPGA经过串口从外部配套设备一次性获取并解析深潜器提供的当前位置，并不断从多普勒计程仪获取对底速度信息，发送至DSP，进行航向角校正；

步骤四、完成上述工作后，FPGA经过串口获取多普勒计程仪所提供的对底速度信息并发送至DSP，DSP采用速度组合方案，通过卡尔曼滤波完成系统组合导航解算，进入工作模式，连续不间断通过串口为深潜器提供导航信息；

所述深海罗经系统包括外壳、设置在外壳内部的电源模块、系统板、IF转换板、转接板和运动感应器，以及设置在外壳外部的外部配套设备；

IF转换板、电源模块、系统板和运动传感器均与转接板相连；

所述运动感应器包括三个方向的陀螺仪和加速度计；陀螺仪产生的数据通过转接板以报文形式传递至系统板，加速度计产生的电流通过转接板进入IF转换板转换为频率脉冲信号后通过转接板传递至系统板；

所述系统板包括核心板，以及与核心板相连的串口可配置模块、SD卡存储模块、USB读取模块及通讯接口，所述核心板包括DSP、FPGA及ARM三核系统及配套电路，所述通讯接口包括JTAG调试接口、UART调试接口及系统对外输入输出接口；所述核心板提供系统的原始数据采集、导航解算及配套电路控制的功能；串口可配置模块用于根据来自系统对外输入输出接口的串口配置信息，配置RS422或RS232作为串口，并将串口配置参数进行存储待下一次上电后读取；串口可配置模块采用配置的串口类型通过系统对外输入输出接口与外部进行通信；

核心板将采集的原始信息、导航解算结果以及系统工作状态信息存储到SD卡存储模块中；核心板根据运行程序的要求或者通过系统对外输入输出接口接收的外部命令，控制USB读取模块读取SD卡所存储信息；

所述外部配套设备包括GNSS设备与多普勒计程仪，与系统板的系统对外输入输出接口相连，系统板还通过系统对外输入输出接口还与深海罗经系统所在的深潜器进行信息交互；

转接板用于电源模块与外部供电源之间的转接，以及将电源模块提供的各种幅值的电源转接到系统内的用电模块。

2.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，步骤三所述的航向角校正采用双位置对准方式：

预先设定航向角1和航向角2，航向角1和航向角2的航向角差大于90度，小于180度；

在深潜器下潜到预定位置后，先在航向角1方向保持大于7分钟，在此期间，利用卡尔曼滤波方法，以系统和多普勒计程仪的速度差为观测量，对系统的水平姿态误差进行估计；然后转动到航向角2方向保持大于15分钟，在此期间，对系统的航向误差进行估计，并对航向角进行修正；其中，转动期间航向角角速率不超过10度/秒；

航向角校正期间，深潜器尽可能保持静止或者线速度尽可能小。

3.如权利要求2所述的导航方法，其特征在于，在航向角校正前，深潜器向深水罗经系统至少发送一次包含位置信息的指定格式数据包，修正深海罗经系统的导航位置。

4.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，串口可配置模块包括芯片MAX3160、AT24C02、ADuM1200AR和ADuM1201AR；芯片MAX3160的工作模式可选为RS232或RS422；

系统上电后，FPGA读取芯片AT24C02所存储的串口配置参数，并对串口可配置单元进行初始化；MAX3160芯片按照预定工作模式处理经过ADuM1201AR芯片隔离保护的TTL信号；若更改串口工作模式，则外部通过系统对外输入输出接口按照预定命令格式发送串口配置命令，FPGA将接收并解析的串口配置命令通过ADuM1200AR芯片发送至MAX3160芯片以控制MAX3160工作模式，并将串口配置参数写入AT24C02芯片；待系统重新上电后，配置生效。

5.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，电源模块将24V稳压电源分别转换为5V、+15V、-15V、3.3V；其中5V通过转接板为系统板、陀螺仪与IF转换板提供电源，+15V与-15V经过转接板与IF转换板为加速度计提供电源，3.3V通过转接板为系统板提供电源。

6.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，运动感应器安装在具有抗变形盘的六面体支架上，六面体支架安装在外壳的底座上；所述六面体包括三个平面，第一平面和第二平面连接为相互垂直的倒L型结构，第三平面安装在倒L型结构的内部空间内，且与第一平面和第二平面均垂直。

7.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于，所述外壳包括罩筒、底座以及连接罩筒与底座的密封法兰；底座上安装有密封线缆出口，转接板和系统板引出的电源线和通讯线通过密封线缆出口引出外壳，电源线连接供电电源，通讯线连接外部配套设备。

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