CN109631884B - 一种基于单浮标的无源水下导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于单浮标的无源水下导航方法，包括：单浮标释放前与水下平台之间的时钟位置同步；单浮标上浮过程中记录惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置、时间推移量、时钟校正量，并连同求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送；水下平台接收并解算，对水下平台位置及时间进行修正校准；建立定位授时模型；反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；进行水下平台当前位置解算以及位置预测。本发明提供具有保持静默及隐蔽性特点的自身位置高精度校准导航授时服务，实现水下用户无源水下定位导航。

Description

一种基于单浮标的无源水下导航方法

技术领域

本发明属于水下导航技术领域，涉及一种基于单浮标的无源水下导航方法。

背景技术

近年来，随着各国向水下导航领域进军，无论是对海洋的和平开发利用，还是海底打捞救助，都以水下信息化为基础，并对信息的远距离传播、信息传播的快速性、传播手段的多样性以及传播精度等提出越来越高的要求。在对水下目标保护情况下，有源定位容易暴露自身位置，必须采用无源定位保证水下潜器等水下平台实现水下隐蔽导航定位的能力。现有国内水下潜器主要依靠惯性导航结合外校正信息组成的组合导航系统，采用卫星定位手段为主、辅以天文定位手段校正惯导的基本思路。由于此种导航方式要求水下平台需定期浮出水面进行位置校正，从而难以满足潜器等水下平台在水下长期高精度隐蔽导航定位的需求。本定位导航方法可在水下平台需要校准位置时抛出自身携带的单浮标，单浮标浮到水面后接收卫星导航信息实现时间位置校准，再将时间位置误差发送给水下平台，水下平台结合自身装载的惯导设备导航信息和浮标发送的位置时间误差，解算自身位置以及校准自身位置，从而能够实现水下平台长时间远距离航行对导航授时的需求。

目前尚没有利用水下平台抛弃单浮标，再利用单浮标单方向发送时间位置误差信息来修正水下平台位置的导航方法。但有若干文献是采用多浮标给水下平台进行定位的，比如专利《一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法》(CN201410073253.1)，专利《无高稳定频标的水下GPS 定位导航方法及其系统》(CN200310118440.9)。文献《GPS浮标_SINS组合水下导航与定姿若干问题讨论》，该方法利用GPS浮标的绝对定位信息通过声信号传输给水下平台定位，再结合惯性导航设备进行融合解算。文献《一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法》该方法利用AUV 导航天线和GIS进行基于超短基线原理的距离和角度的多次测量信息，结合系统状态方程和量测方程，应用卡尔曼滤波估计出AUV天线上的水听器位置，进而实现AUV导航定位，但该方法需要AUV发送应答信号，隐蔽性差，而且需要提前进行超短基线校准，工程实现难度较大。文献《AUV拖曳GPS浮标系统仿真研究》，该方案虽然可以保证AUV运行过程的隐蔽性，但由于AUV的尾端连接点受到拖缆张力的作用，会对AUV 的运动产生一定影响，使得AUV必须消耗一定能量克服拖缆对其的张力，从而导致AUV航程减小。上述文献中单浮标时刻跟随水下平台运动，能量消耗以及隐蔽性都不太理想，针对水下平台在需要位置校准的时候抛弃单浮标，利用单浮标单向发送调制位置时间校正量的水声信号进行定位授时的研究，尚未见公开文献发表。

发明内容

发明所要解决的课题是，克服现有技术的不足，提出了一种基于单浮标的无源水下导航方法，该方法能够实现水下平台长航时隐蔽性高精度定位导航。本方法可在水下平台需要校准位置时抛出自身携带的单浮标，单浮标接收GNSS导航信息实现定位，单浮标将位置时间误差发送给水下平台，水下平台结合自身装载的惯导设备导航信息和浮标发送的位置时间误差，解算自身位置以及实现自身位置修正校准。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种基于单浮标的无源水下导航方法，包括以下步骤：

步骤1、单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将当前同步时刻标记为t₀；

步骤2、单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS 位置、时钟校正量，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送，其中时标信息就是t₀+δ_t0，时钟校正量δ_t0是浮标上面的时钟通过GPS授时后得到的时钟误差，这里假设前提是:浮标上浮时间特别短，上浮过程的时间忽略；

步骤3、水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准。具体地，由于释放浮标前，水下平台的位置一直都是由水下平台上的惯导校准的，但是惯导长时间漂移太大，误差太大，所以释放浮标时记录的水下平台的初始位置是不准确的，故需要把浮标抛到水面进行校准一下，然后反推水下平台的初始位置。此处的解算例如可以是指水下平台上面的惯导解算；

步骤4、建立定位授时模型，其以单浮标上浮后对应的浮标GNSS 位置、上浮过程中单浮标的位移量、单浮标与水下平台的时间同步时刻、时钟校正量，及水下平台的位置移动量和时间推移量为输入，以水下平台当前时刻校正后的位置和时间为输出，其中水下平台的位置移动量和时间推移量可以由水下平台上面的惯导数据得到，为此浮标上也可以携带一个微型惯导；

步骤5、根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、求出的上浮过程中单浮标的位移量反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；

步骤6、根据所得水下平台初始位置和解算出的水下平台的位置移动量和时间推移量，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测，其中将已知的参数带入到定位授时模型，以得到当前水下平台的位置和位置预测。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤2中由惯导观测数据通过INS解算求出上浮过程中单浮标的位移量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤3中水下平台接收到单浮标发送的水声信号采用M元差分扩频编码体制调制生成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤4建立的定位授时模型，具体为：

x＝x₀+δ_x0+d_x

y＝y₀+δ_y0+d_y

z＝z₀+δ_z0+d_z

t＝t₀+δ_t0+d_t

其中，(x,y,z,t)为水下平台当前时刻校正后的位置和时间。如本文所述，本申请的整套系统就是通过浮标发回的位置来对水下平台位置进行校准修正；

(x₀,y₀,z₀)为单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置；

(δ_x0,δ_y0,δ_z0)为上浮过程中单浮标的位移量；

t₀为单浮标与水下平台的时间同步时刻；

δ_t0为单浮标利用GNSS授时后求得的时钟校正量；

(d_x,d_y,d_z,d_t)为浮标释放时刻至浮标定位信号接收时刻，水下平台的位置移动量以及时间推移量。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤5中反推求解单浮标释放时刻的初始位置，具体为：

对上浮过程中单浮标的惯导观测数据根据时间逆序排列，并将陀螺仪三轴数据取反，其次将加速度反向，得到修正后的反向惯导观测数据；

利用单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置和修正后的反向惯导观测数据求解得到单浮标释放时刻的初始位置。

发明效果为：

本发明的基于单浮标的无源水下导航方法，该水下无源导航方法采用抛弃式单浮标对水下平台进行定位导航授时。该方法通过释放到水面的单浮标向水下发射经过调制的声波信号，浮标的位置采用GNSS自主获取，水下平台上的声波信号接收机通过接收处理水面浮标发射的声波信号，并结合惯导、测深仪数据实现自身时间和位置的校准。

因此，本发明与传统技术相比的有益效果为：

(1)本发明方法中利用INS/被动声学组合导航手段，与传统的INS/ 声学组合导航手段不同的是，该方法中仅通过水声信号进行位置时间校正量的传输，对水下平台进行位置时间校准，而非直接利用水声声信号对水下平台进行定位，具有通信导航信号一体化的优势。

(2)本发明方法中水下平台需要校准位置时才抛弃单浮标，单浮标通过水声信号发送给水下平台信息是水下平台与GNSS信号定位授时结果之间的误差，水下平台接收定位信息进行解算，不需要水下平台主动发送信号，保证了水下平台可以长时间高精度在水下隐蔽航行。

(3)本发明方法中浮标采用抛弃式，不需要水下平台拖曳，节约水下平台的电量，也不需要提前布放浮标，工程上更容易实现。可为水下用户提供一种具有保持静默及隐蔽性特点的自身位置高精度校准导航授时服务，实现水下用户无源水下定位导航。本发明可以用于水下目标跟踪、水下定位导航、水下精密授时等领域。

附图说明

图1为本发明基于单浮标的无源水下导航方法的原理示意图。

图2为本发明方法的数据流图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

本发明设计了一种基于单浮标的无源水下导航方法，本方法运用在如图1所示的水下导航系统中，包括GNSS卫星星座、配备微型惯导设备的智能GNSS单浮标、水下平台、装载于水下平台上的水声接收机、惯性导航设备和测深仪器六个部分。

本实施例的基于单浮标的无源水下导航方法，假设能接收到至少4颗 GNSS卫星G1，G2，G3，G4，水下平台初始位置在A点，释放的单浮标浮到水面C点，此时水下平台行驶到B点，以图2为例。本发明方法的定位过程如下：

步骤1、水下位置时间同步。

单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将当前同步时刻标记为t₀；

步骤2、浮标时间校准与位移测量。

单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置 (x₀,y₀,z₀)、时钟校正量δ_t0，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量(δ_x0,δ_y0,δ_z0)一并通过调制成水声信号对外发送；

其中，浮标上浮过程的位移量(δ_x0,δ_y0,δ_z0)，可以由惯导IMU原始惯导观测数据通过INS解算获取。

步骤3、水下位置时间修正。

水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准；

所述水下平台接收到浮标发送的水声信号采用M元差分扩频编码体制调制生成，同时携带的信息包含单浮标完成GNSS定位授时后的时钟校正量δ_t0，单浮标完成GNSS定位授时时刻的位置(x₀,y₀,z₀)，浮标上浮过程的位移量(δ_x0,δ_y0,δ_z0)。

并且，通过自身的水下平台惯导数据解算得浮标释放时刻至浮标定位信号接收时刻水下平台的位置移动量[d_x d_y d_z]，水下平台时钟测量得到水下平台的时间推移量d_t。

步骤4、建立定位授时模型。

本方法的模型，以单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、上浮过程中单浮标的位移量、单浮标与水下平台的时间同步时刻、时钟校正量，及水下平台的位置移动量和时间推移量为输入，以水下平台当前时刻校正后的位置和时间为输出；

本方法中定位授时模型可表示为：

x＝x₀+δ_x0+d_x

y＝y₀+δ_y0+d_y

z＝z₀+δ_z0+d_z

t＝t₀+δ_t0+d_t

其中：

以下数据均在WGS-84坐标系下获得。

(x,y,z,t)为水下平台当前时刻校正后的位置和时间；

(x₀,y₀,z₀)为单浮标上浮后的GNSS位置；

(δ_x0,δ_y0,δ_z0)为单浮标上浮过程中的位移量，由浮标惯导数据算得；

t₀为单浮标与水下平台的时间同步时刻；

δ_t0为单浮标利用GNSS授时后求得的时钟校正量；

(d_x,d_y,d_z,d_t)为浮标释放时刻至浮标定位信号接收时刻，水下平台惯导数据解算得到的水下平台的位置移动量，以及水下平台时钟测量的时间推移量。

步骤5、已知C点位置反推A点位置。

根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、浮标惯导数据求出的上浮过程中单浮标的位移量(δ_x0,δ_y0,δ_z0)反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；

其中，反推求解浮标释放的初始位置，是已知浮标完成GNSS定位授时时刻的位置和上浮过程中的惯导原始观测数据，对上浮过程中单浮标的惯导观测数据根据时间逆序排列，并将陀螺仪三轴数据取反，其次将加速度反向，得到修正后的反向惯导观测数据；利用单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置和修正后的反向惯导观测数据求解得到单浮标释放时刻的初始位置。具体为：

(1)、首先，已知C点位置反推A点位置。

(δ_x0,δ_y0,δ_z0)为浮标惯导数据算得的单浮标上浮过程中的位移量；A 点到C点的惯导数据已知，C点位置(x₀,y₀,z₀)已知，现求解A点位置， C点到A点的惯导数据需要逆推算出。首先将从A点到C点的原始惯导数据进行逆序排列，并将陀螺仪三轴数据取反，其次将数据的加速度计的反推的值进行修正得到imu_fantui数据，根据C到A的逆序的姿态角，经纬高数据，最后利用生成的imu_fantui数据求取A点位置。

(2)、四元数初始化及获取初始姿态矩阵和位置矩阵。惯导解算时采用东北天作为机体坐标系，数据更新速率为T＝200Hz，利用惯性导航设备测得的C点处的姿态初值Atti₀＝[ψ₀,θ₀,γ₀]为：航向角ψ₀，俯仰角θ₀，横滚角γ₀，初始速度为V_-ins＝[v_x0 v_y0 v_z0]，初始位置为P_-ins＝[lat₀ lon₀ h₀]，四元数Q，初始姿态矩阵C_bn。

令

那么

四元数初始化：

归一化：

初始位置矩阵：

(3)、姿态更新。由惯性设备输出的陀螺仪初始角速度 w₀＝[w_x0 w_y0 w_z0]，加速度计初始值a₀＝[a_x0 a_y0 a_z0]，重力加速度 g₀＝9.780373，重力加速度随高度的变化g＝g₀*6378137²/(6378137+h)₂，位移角速度w_en＝[w_en1 w_en2 w_en3]，当地地球自转角速度分量为w_ie，利用等效旋转矢量三子样法进行姿态解算，上一时刻四元数Q，上一时刻角速度w₀，当前时刻角速度w₁,w₂,w₃，采样间隔为T,为根据输入的惯性导航数据不断更新四元数及姿态矩阵。

R_m、R_n分别是沿东向速度与北向速度方向的主曲率半径，由此计算位移角速度w_en：

w_en＝[-v_x0/R_m+h v_y0/R_n+h v_y0*tan(lat)/R_n+h]

当地地球自转角速度分量：

w_en＝[0 7.2921158*10^-5*cos(lat) 7.2921158*10^-5*sin(lat)]

姿态更新通过算法[C_bn,Atti,Q]＝attitude(Q_{_tmp},C_{bn_tmp},w_en,w_ie,w,T)实现，具体过程如下：

角速度：w＝w'-C_{nb_tmp}'*(w_en'+w_ie')，

Δθ＝(w(1)*T)²+(w(2)*T)²+(w(3)*T)²

Q＝(eye(4)*(1-Δθ/8+Δθ*Δθ/384)+(0.5-Δθ/48)*Δq)*Q_tmp'

DCM_bn(1,1)＝Q(1)*Q(1)+Q(2)*Q(2)-Q(3)*Q(3)-Q(4)*Q(4)

DCM_bn(1,2)＝2*Q(2)*Q(3)-Q(1)*Q(4)

DCM_bn(1,3)＝2*Q(2)*Q(4)+Q(1)*Q(3)

DCM_bn(2,1)＝2*Q(2)*Q(3)+Q(1)*Q(4)

DCM_bn(2,2)＝Q(1)*Q(1)-Q(2)*Q(2)+Q(3)*Q(3)-Q(4)*Q(4)

DCM_bn(2,3)＝2*Q(3)*Q(4)-Q(1)*Q(2)

DCM_bn(3,1)＝2*Q(2)*Q(4)-Q(1)*Q(3)

DCM_bn(3,2)＝2*Q(3)*Q(4)+Q(1)*Q(2)

DCM_bn(3,3)＝Q(1)*Q(1)-Q(2)*Q(2)-Q(3)*Q(3)+Q(4)*Q(4)

更新后的姿态：

四元数更新后的值为：

(4)、速度更新。

根据更新后的姿态进行速度更新：

w＝w'-C_bn'*(w_en'+w_ie')

Δθ＝w*T Δv＝a*T

tmp＝0.5*C_θ*Δv' Δvsfm＝C_bn*(Δv'+tmp)

计算出三个方向的有害加速度：

w_x_error＝2*w_ie(1)+w_en(1)

w_y_error＝2*w_ie(2)+w_en(2)

w_z_error＝2*w_ie(3)+w_en(3)

v_x_error＝-(w_y_error*v(3)-w_z_error*v(2))*T

v_y_error＝-(w_z_error*v(1)-w_x_error*v(3))*T

v_z_error＝-(w_x_error*v(2)-w_y_error*v(1)-g)*T

速度更新值：

v_new(1)＝v(1)+Δvsfm(1)+v_x_error

v_new(2)＝v(2)+Δvsfm(2)+v_y_error

v_new(3)＝v(3)+Δvsfm(3)+v_z_error

(5)、位置更新。

根据更新的速度计算位移变换量和位移旋转矢量，最后进行位置更新，

p_tmp2＝p_tmp1,p_tmp1＝p_ins

位置矩阵：C_{en_}t1＝C_{en_}ins

由[p_ins,C_{en_}ins]＝position(C_{en_}t1,p_tmp2,p_tmp1,v_tmp,v_ins,T)，p_ins存储的即为更新的位置。

步骤6、根据所得水下平台初始位置A点，和水下平台装载的惯性导航设备测得解算出的水下平台的位置移动量[d_x d_y d_z]和时间推移量 d_t，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测，根据以上推导可以解算出水下平台的位置和时间，以此完成导航授时。

综上，本发明的基于单浮标的无源水下导航方法，可为水下用户提供一种具有保持静默及隐蔽性特点的自身位置高精度校准导航授时服务，实现水下用户无源水下定位导航。本发明可以用于水下目标跟踪、水下定位导航、水下精密授时等领域。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将单浮标与水下平台的时间同步时刻标记为t₀；

步骤2、单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、时钟校正量，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送；

步骤3、水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准；

步骤4、建立定位授时模型，所述定位授时模型为：

x＝x₀+δ_x0+d_x

y＝y₀+δ_y0+d_y

z＝z₀+δ_z0+d_z

t＝t₀+δ_t0+d_t

其中，(x,y,z,t)为水下平台当前时刻校正后的位置和时间；

(x₀,y₀,z₀)为单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置；

(δ_x0,δ_y0,δ_z0)为上浮过程中单浮标的位移量；

t₀为单浮标与水下平台的时间同步时刻；

δ_t0为单浮标利用GNSS授时后求得的时钟校正量；

(d_x,d_y,d_z,d_t)为浮标释放时刻至浮标定位信号接收时刻，水下平台的位置移动量以及时间推移量；

步骤5、根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、求出的上浮过程中单浮标的位移量反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；

步骤6、根据所得水下平台初始位置和解算出的水下平台的位置移动量和时间推移量，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测。

2.根据权利要求1所述基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，所述步骤2中由惯导观测数据通过INS解算求出上浮过程中单浮标的位移量。

3.根据权利要求1所述基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，所述步骤3中水下平台接收到单浮标发送的水声信号采用M元差分扩频编码体制调制生成。

4.根据权利要求1所述基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，所述步骤5中反推求解单浮标释放时刻的初始位置为：

对上浮过程中单浮标的惯导观测数据根据时间逆序排列，并将陀螺仪三轴数据取反，其次将加速度反向，得到修正后的反向惯导观测数据；

利用单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置和修正后的反向惯导观测数据求解得到单浮标释放时刻的初始位置。

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