CN109782323A - 一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，作业母船通过搭载在水下自主航行器上的水声定位系统获取水下自主航行器的准确位置信息，基于该信息生成水下自主航行器的有源校准信息，并发送给水下自主航行器用于导航信息的校准，从而解决了深海水下自主航行器作业过程中无法上浮至水面利用卫星定位数据校准的问题。

Description

一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法

技术领域

本发明涉及水下导航定位技术领域，具体涉及一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法。

背景技术

当水下自主航行器(AUV)在水下执行任务时，大部分时间均处于自主航行状态。在自主航行状态下，水下自主航行器(AUV)的控制完全交由其控制系统接管，控制其位置、航向、姿态和速度等状态，因此，水下自主航行器(AUV) 必须能够实时感知和测算出自身当前位置、航向、姿态和速度等信息。

由于卫星信号无法跨越空气和海水两种介质可靠传输，水下自主航行器 (AUV)在水下航行过程中无法获取卫星定位数据。因此，对于浅海水域作业水下自主航行器(AUV)，通常采用由搭载于水下自主航行器(AUV)上的INS (Inertial Navigation System，惯性导航装置)/声波计程仪组合导航系统实时推算水下自主航行器(AUV)当前位置、航向、姿态和速度等导航定位信息；当组合导航系统累积误差较大时，通常采用利用水下自主航行器(AUV)水面航行或上浮至水面的时机，接收卫星定位位置数据对组合导航装置进行位置校准以修正导航定位数据的方法。

采用INS/声波计程仪组合导航方式的优点是不用依赖外界信息，但是，如果长时间没有外部信息进行校准，INS的自转轴漂移仍然会带来较大的定位误差，因此需要每隔一段时间利用外部定位信息对导航定位系统进行校准才能抑制INS的定位误差的增大，使得定位精度可以保持在一个较高的水平。对于深海(通常认为1000米以深海域为深海)水下自主航行器(AUV)，由于其水下航行深度大，基于作业和能源利用效率等因素考虑，通常无法实现令水下自主航行器(AUV)上浮至水面利用卫星定位数据对组合导航系统进行有源校准的操作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，作业母船通过搭载在水下自主航行器上的水声定位系统获取水下自主航行器的准确位置信息，基于该信息生成水下自主航行器的有源校准信息，并发送给水下自主航行器用于导航信息的校准，从而解决了深海水下自主航行器作业过程中无法上浮至水面利用卫星定位数据校准的问题。

本发明提供了一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，所述深海水下自主航行器中搭载水声定位系统水下单元，在作业母船中部署水声定位系统水上单元，所述深海水下自主航行器的定位及校准过程包括如下步骤：

步骤1、深海水下自主航行器在船载或水面漂泊状态下，对其组合导航定位系统进行初始对准，并利用卫星定位数据对组合导航定位系统进行位置有源校准；

步骤2、所述水上单元对深海水下自主航行器进行水声定位，获取深海水下自主航行器与所述作业母船的相对位置、获得相对位置对应的UTC时间以及其与所述作业母船的距离；根据所述距离，基于水声信号传输延时修正所述UTC 时间；作业母船根据所述相对位置，并基于自身的经纬度信息解算出深海水下自主航行器的定位信息，所述定位信息为深海水下自主航行器的经纬度；作业母船将计算得到的定位信息及修正后的对应UTC时间作为有源校准信息下发至深海水下自主航行器组合导航定位系统；

步骤3、深海水下自主航行器组合导航定位系统利用步骤2中收到的定位信息及对应UTC时间对自身位置信息进行位置回溯校准，并对自身导航定位解算中用到的参数进行反馈校正。

进一步地，所述步骤2中所述修正为：

所述水声定位系统水上单元利用温度、盐度、声速测量传感器获取作业海域的声速v；深海水下自主航行器位于点处时的UTC时间为其中t₀为获得相对位置的UTC时间，为深海水下自主航行器位置的经、纬度信息。

进一步地，所述组合导航定位系统进一步包括深度计；

通过深海水下自主航行器当前所在的纬度和深度D，根据如下公式，解算深海水下自主航行器当前所在位置的重力加速度值g：_φ,D；

g：_φ,D＝9.80665(1-0.00265cos2φ)+6.3868×10^-5cos2φ-4.5×10^-4+3.086×10^{- 6}D

将所述惯性导航设备解算得到的重力加速度值与结合深度信息和纬度信息解算得到的重力加速度值之间的误差Δg输入卡尔曼滤波器，构成重力加速度误差观测方程校正所述组合导航定位系统误差。

进一步地，所述步骤3中深海水下自主航行器水下自主航行过程中的回溯校准过程如下：

所述惯性导航设备在上电后整个运行过程将所有仪表原始数据、导航解算得到的信息及其对应的UTC时间均实时记录于内部非易失存储器中；

假定所述组合导航定位系统于t₂时刻通过水声通信设备收到来自所述作业母船下发的有源校准位置信息及其对应的时间t₁；

所述组合导航定位系统在内部非易失性存储器中回溯到t₁时刻所述组合导航定位系统推算出的深海水下自主航行器位置为利用有源校准信息中的t₁时刻位置对其进行校准，并对导航定位解算的参数进行修正；

然后以校准之后的t₁时刻位置作为初始位置，利用修正后的导航定位解算参数对导航定位信息重新进行推算，得出有源校准后t₂时刻深海AUV 位置及航向、姿态信息；t₂时刻之后的导航定位信息均以有源校准之后的数据为准进行推算。

进一步地，所述水声定位系统的水上单元为超短基线定位系统水上单元，所述水声定位系统的水下单元为水声定位信标。

有益效果：

1、利用考虑时延的水声定位相关信息对水下自主航行状态的深海水下自主航行器进行有源校准，以修正惯性导航设备(INS)解算得到的位置误差，实现了深海水下自主航行器无需上浮有源校准的功能，本发明的方法在深海水下自主航行器导航定位精度和作业效率方面，具有更好的效果。

2、通过在传统水下自主航行器(AUV)的惯性导航设备(INS)/声波计程仪组合导航系统中引入深度计，构成深海水下自主航行器(AUV)的深度计/INS/ 声波计程仪组合导航系统，一方面可以通过差分运算，得到天向速度的参考值，以修正惯性导航设备(INS)解算得到的天向速度误差；另一方面，可以由深度值结合纬度信息解算得到与深度相关的重力加速度值，以修正惯性导航设备 (INS)解算得到的重力加速度值由大跨度的深度变化引入的误差。

附图说明

图1为本发明提供的实施例中深海水下自主航行器(AUV)组合导航定位系统构成。

图2为本发明提供的实施例中深海水下自主航行器(AUV)组合导航系统导航解算原理。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，其基本思想是：通过在水下自主航行器上搭载水声定位系统水下单元，并且在作业母船上部署水声定位系统水上单元，水声定位系统水上单元与水下单元之间通过水声通信系统连接；作业母船利用水声通信设备能够获取来自于水声定位系统的相对位置信息，结合获取的GPS定位信息，计算出水下自主航行器的准确位置信息，并将该准确位置信息及其对应的UTC时间信息下发至深海水下自主航行器 (AUV)的组合导航定位系统中，深海水下自主航行器(AUV)组合导航定位系统采用收到的信息作为校准源，对深海水下自主航行器(AUV)的当前位置信息进行有源校准，从而解决了深海水下自主航行器(AUV)作业过程中无法上浮至水面利用卫星定位数据校准的问题。此外，通过在深海水下自主航行器 (AUV)组合导航定位系统中增加深度计，解决因深海水下自主航行器(AUV) 作业水深跨度大导致重力加速度g值误差大带来的导航定位系统解算误差较大的问题。

本发明提供了一种水下自主航行器导航定位及校准方法，硬件方面在水下自主航行器上搭载水声定位系统水下单元，并且在作业母船上部署水声定位系统水上单元，水声定位系统水上单元与水下单元之间通过水声通信系统进行通信连接，校准通信过程包括如下步骤：

步骤1、深海水下自主航行器(AUV)在船载或水面漂泊状态下对其组合导航定位系统进行初始对准。通常情况下，利用卫星定位装置提供的位置信息作为初始值对惯性导航设备(INS)依次进行粗对准、精对准操作，进而实现惯性导航设备(INS)的寻北和仪表误差估计补偿。同时，利用从卫星定位装置获取的UTC时间对组合导航系统进行对时，以保证母船上的保障系统与组合导航系统的时间统一。

步骤2、开始水下自主航行前，利用卫星定位数据对组合导航定位系统进行位置有源校准。在深海水下自主航行器(AUV)处于水面静止航行或航行时，且卫星定位数据有效状态下，通过指令使惯性导航设备(INS)利用卫星定位的位置数据进行位置校准。

步骤3、水下自主航行过程中，利用组合导航定位系统实时推算水下自主航行器(AUV)航向、姿态和位置等导航定位信息，具体过程如下：

深海水下自主航行器(AUV)组合导航系统对导航定位信息的推算以惯性导航设备(INS)为主，首先惯性导航设备(INS)结合内部惯性测量单元(IMU) 测量数据和初始对准过程中获取卫星定位信息解算得到导航定位信息；

然后，将惯性导航设备(INS)解算得到的东向速度V_IE、北向速度V_IN与声波计程仪测量得到的东向速度V_CE、北向速度V_CN的误差(ΔV_E,ΔV_N)，输入卡尔曼滤波器，构成东向速度误差观测方程和北向速度误差观测方程；

同时，将INS解算得到的天向速度V_IV和由深度计测量得到的深度信息D对时间差分得到的天向速度V_DV的误差ΔV_V输入卡尔曼滤波器，构成天向速度误差观测方程；同时，将INS解算得到的重力加速度值与结合深度信息和纬度信息解算得到的重力加速度值之间的误差Δg输入卡尔曼滤波器，构成重力加速度误差观测方程；将INS由IMU信息解算得到的俯仰角θ_I和横滚角γ_I与利用加速度计比力信息间隔性估计得到的姿态信息θ_D和γ_D之间的误差(Δγ,Δθ)输入卡尔曼滤波器，构成姿态误差观测方程；当收到使用卫星定位信息校准指令时，则将卫星定位的经度λ₁、纬度位置信息与INS推算的位置信息之间的误差输入卡尔曼滤波器，构成位置误差观测方程；当收到使用水声定位信息校准指令时，则将由水声定位数据进一步解算得到的位置信息与INS 推算的位置信息之间的误差输入卡尔曼滤波器，构成位置误差观测方程；整个导航推算过程中，使用卡尔曼滤波误差状态方程的输出对INS中捷联惯导解算进行反馈校正，以校正系统误差。

其中，由深海AUV当前所在纬度φ和深海AUV当前所在深度D解算深海 AUV当前所在位置重力加速度值g：_φ,D的方法为：

g：_φ,D＝9.80665(1-0.00265cos2φ)+6.3868×10^-5cos2φ-4.5×10^-4+3.086×10^{- 6}D

当深海水下自主航行器(AUV)在水面且卫星定位数据有效时，则优先使用卫星定位数据作为校准源实现对其组合导航定位系统的有源校准，以尽量减小校准源的误差，提高组合导航定位系统精度。

步骤4、水下自主航行过程中作业母船利用水声定位系统监测深海水下自主航行器(AUV)位置，并通过水声通信系统将定位信息及对应UTC时间作为有源校准信息下发至深海水下自主航行器(AUV)组合导航定位系统。

首先，利用母船超短基线定位系统水面单元对水下自主航行状态的深海 AUV进行水声定位，获取深海AUV的相对位置，计算得到深海AUV位置经度λ₁、纬度深海AUV相对母船超短基线定位系统水面单元换能器处的斜距d，以及超短基线定位系统生成深海AUV位置经、纬度信息的UTC时间t0；利用温度、盐度、声速测量传感器CTD获取作业海域的声速v；则考虑超短基线定位系统水声信号传输延时情况下，深海AUV位于点处时的UTC时间为然后，利用母船上的水声通信设备将深海AUV位置及其对应UTC时间t₁作为组合导航定位系统在水下自主航行状态下有源校准所需的信息以水声通信的方式下发至深海AUV的组合导航定位系统。

步骤5、深海水下自主航行器(AUV)组合导航定位系统利用通过水声通信系统收到的定位信息及对应UTC时间对自身位置信息进行位置回溯校准，并对自身导航定位解算中用到的参数进行反馈校正，具体过程如下：

组合导航定位系统中INS在系统上电后整个运行过程将所有仪表原始数据(包括加速度、角速度等)、导航解算得到的信息及其对应的UTC时间均实时记录于内部非易失存储器中；假定组合导航定位系统于t2时刻通过水声通信设备收到来母船下发的有源校准位置信息及其对应的时间t1，且t2时刻组合导航定位系统推算出的深海AUV位置为当组合导航定位系统收到有源校准指令及相关信息后，在内部非易失性存储器中查找到t1时刻组合导航定位系统推算出的AUV位置为利用有源校准信息中的t1时刻位置对其进行校准并对导航定位解算的参数进行修正；然后以校准之后的t1时刻位置作为初始位置，利用修正后的导航定位解算参数及t1时刻到t2时刻之间记录的仪表原始数据对该时间段的导航定位信息重新进行推算，得出有源校准后t2时刻深海AUV位置及航向、姿态等信息；t2时刻之后的导航定位信息均以有源校准之后的数据为准进行推算。

其中，组合导航定位系统在深海AUV上安装或每次重新装配完成后，在步骤1之前，需在卫星定位数据和声波计程仪有效前提下，根据INS标定要求，按照特定航迹航行一个标定航次，以估计INS与声波计程仪之间的安装误差，消除因安装误差引入的组合导航误差。

本发明中通常采用水声定位信标作为水声定位系统。

实施例一：

本发明提供的一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，采用包括光纤捷联惯导、多普勒计程仪、深度计、水声定位信标、卫星定位装置和超短基线定位系统作为深海水下自主航行器(AUV)的组合导航定位系统。其中，光纤捷联惯导、多普勒计程仪、水声定位信标和深度计部署在水下自主航行器 (AUV)上，超短基线定位系统则部署在作业母船上，如图1所示，多普勒计程仪安装于光纤捷联惯导的正下方，且在误差允许范围内保证二者坐标系平行；超短基线定位系统与深海水下自主航行器(AUV)之间通过水声通信设备通信。

深海水下自主航行器(AUV)处于水下自主航行状态时，有源校准信息通过水声通信装置由作业母船下发至深海水下自主航行器(AUV)。根据导航解算原理，利用卡尔曼滤波反馈校正的方法，融合多普勒计程仪、深度计、卫星定位信息和超短基线定位信息，修正光纤捷联惯导的导航定位误差，实现误差可控且高效的深海水下自主航行器(AUV)组合导航定位及校准。具体步骤如下：

步骤1、组合导航定位系统在深海水下自主航行器(AUV)上安装或每次重新装配完成后，在卫星定位数据和多普勒计程仪有效的前提下，根据光纤捷联惯导标定要求，按照折返航迹分别直线航行7km，在距离起点7km和终点5km 处分别完成一次校准，以估计INS与声波计程仪之间的安装误差，消除因安装误差引入的组合导航误差，并作为固定参数写入光纤捷联惯导内部非易失性存储器中。

步骤2、深海水下自主航行器(AUV)在船载状态下对其组合导航定位系统进行初始对准，对准时间不小于38min。

步骤3、开始水下自主航行前利用卫星定位数据对组合导航定位系统进行位置有源校准，方法为利用卫星定位数据经卡尔曼滤波误差估计，对光纤捷联惯导解算出的位置信息进行修正。

步骤4，深海水下自主航行器(AUV)在水下自主航行过程中，作业母船利用水声定位信标监测深海AUV位置，并通过水声通信系统将定位信息及对应UTC时间作为有源校准信息下发至深海AUV组合导航定位系统，具体过程如下：

利用作业母船超短基线定位系统与水声定位信标的通信，对深海AUV进行水声定位，得到：深海AUV的位置经度λ₁、纬度深海AUV相对作业母船超短基线定位系统水声通信系统(换能器)处的斜距d，以及超短基线定位系统生成深海AUV位置信息的UTC时间t₀；

利用温度、盐度、声速测量传感器(CTD)获取作业海域的声速v，考虑超短基线定位系统水声信号传输延时情况下，深海AUV位于点处时的 UTC时间为

然后，利用作业母船上的水声通信设备，将深海AUV位置及其对应UTC时间t₁作为组合导航定位系统在水下自主航行状态下有源校准所需的信息，发送至深海AUV的组合导航定位系统。

步骤5、水下自主航行过程中，利用组合导航定位系统实时推算水下自主航行器(AUV)航向、姿态和位置等导航定位信息，如图2所示，具体过程如下：

步骤5.1、INS结合内部IMU(惯性测量单元)测量数据和初始对准过程中获取卫星定位信息解算得到导航定位信息；

步骤5.2、将INS解算得到的东向速度V_IE、北向速度V_IN与声波计程仪测量得到的东向速度V_CE、北向速度V_CN的误差(ΔV_E,ΔV_N)输入卡尔曼滤波器，构成东向速度误差观测方程和北向速度误差观测方程；

步骤5.3、将INS解算得到的天向速度V_IV和由深度计测量得到的深度信息D 对时间差分得到的天向速度V_DV的误差ΔV_V输入卡尔曼滤波器，构成天向速度误差观测方程；

步骤5.4、将INS由深海AUV当前所在纬度解算得到的重力加速度值与结合深度信息D和纬度信息解算得到的重力加速度值之间的误差Δg输入卡尔曼滤波器，构成重力加速度误差观测方程；

这里，采用如下公式，由深海AUV当前所在纬度φ和深海AUV当前所在深度D解算深海AUV当前所在位置重力加速度值g：_φ,D：

g：_φ,D＝9.80665(1-0.00265cos2φ)+6.3868×10^-5cos2φ-4.5×10^-4+3.086×10^{- 6}D

步骤5.5、将INS由IMU信息解算得到的俯仰角θ_I和横滚角γ_I与利用加速度计的比力信息间隔性估计得到的姿态信息θ_D和γ_D之间的误差(Δγ,Δθ)输入卡尔曼滤波器，构成姿态误差观测方程；

步骤5.6、当收到使用卫星定位信息校准指令时，则将卫星定位的深海AUV 位置经度λ₁、纬度信息与INS推算的位置信息之间的误差输入卡尔曼滤波器，构成位置误差观测方程；

步骤5.7、当收到使用水声定位信标校准指令时，则将由水声定位数据进一步解算得到的位置信息与INS推算的位置信息之间的误差输入卡尔曼滤波器，构成位置误差观测方程；

整个导航推算过程中，使用卡尔曼滤波误差状态方程的输出对INS中捷联惯导解算进行反馈校正，以校正系统误差。

步骤6：深海AUV组合导航定位系统利用通过水声通信系统收到的定位信息及对应UTC时间对自身位置信息进行位置回溯校准，并对自身导航定位解算中用到的参数进行反馈校正，过程如下：

组合导航定位系统中INS在系统上电后整个运行过程将所有仪表原始数据(包括加速度、角速度等)、导航解算得到的信息及其对应的UTC时间均实时记录于内部非易失存储器中；

假定组合导航定位系统于t₂时刻通过水声通信设备收到来自作业母船下发的有源校准位置信息及其对应的时间t₁，且t₂时刻组合导航定位系统推算出的深海AUV位置为

当组合导航定位系统收到有源校准指令及相关信息后，在内部非易失性存储器中查找到t₁时刻组合导航定位系统推算出的AUV位置为利用有源校准信息中的t₁时刻位置对其进行校准，并对导航定位解算的参数进行修正；

然后以校准之后的t₁时刻位置作为初始位置，利用修正后的导航定位解算参数及t₁时刻到t₂时刻之间记录的仪表原始数据对该时间段的导航定位信息重新进行推算，得出有源校准后t₂时刻深海AUV位置及航向、姿态等信息；t₂时刻之后的导航定位信息，均以有源校准之后的数据为准进行推算。

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 (5)

1.一种深海水下自主航行器导航定位及校准方法，其特征在于，所述深海水下自主航行器中搭载水声定位系统水下单元，在作业母船中部署水声定位系统水上单元，所述深海水下自主航行器的定位及校准过程包括如下步骤：

步骤1、深海水下自主航行器在船载或水面漂泊状态下，对其组合导航定位系统进行初始对准，并利用卫星定位数据对组合导航定位系统进行位置有源校准；

步骤2、所述水上单元对深海水下自主航行器进行水声定位，获取深海水下自主航行器与所述作业母船的相对位置、获得相对位置对应的UTC时间以及其与所述作业母船的距离；根据所述距离，基于水声信号传输延时修正所述UTC时间；作业母船根据所述相对位置，并基于自身的经纬度信息解算出深海水下自主航行器的定位信息，所述定位信息为深海水下自主航行器的经纬度；作业母船将计算得到的定位信息及修正后的对应UTC时间作为有源校准信息下发至深海水下自主航行器组合导航定位系统；

步骤3、深海水下自主航行器组合导航定位系统利用步骤2中收到的定位信息及对应UTC时间对自身位置信息进行位置回溯校准，并对自身导航定位解算中用到的参数进行反馈校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述修正为：

所述水声定位系统水上单元利用温度、盐度、声速测量传感器获取作业海域的声速v；深海水下自主航行器位于点处时的UTC时间为其中t₀为获得相对位置的UTC时间，为深海水下自主航行器位置的经、纬度信息。

3.根据权利要求1、2任意一项所述的方法，其特征在于，所述组合导航定位系统进一步包括深度计；

通过深海水下自主航行器当前所在的纬度和深度D，根据如下公式，解算深海水下自主航行器当前所在位置的重力加速度值g：_φ,D；

g：_φ,D＝9.80665(1-0.00265cos2φ)+6.3868×10^-5cos2φ-4.5×10^-4+3.086×10^-6D

将所述惯性导航设备解算得到的重力加速度值与结合深度信息和纬度信息解算得到的重力加速度值之间的误差Δg输入卡尔曼滤波器，构成重力加速度误差观测方程校正所述组合导航定位系统误差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3中深海水下自主航行器水下自主航行过程中的回溯校准过程如下：

所述惯性导航设备在上电后整个运行过程将所有仪表原始数据、导航解算得到的信息及其对应的UTC时间均实时记录于内部非易失存储器中；

假定所述组合导航定位系统于t₂时刻通过水声通信设备收到来自所述作业母船下发的有源校准位置信息及其对应的时间t₁；

所述组合导航定位系统在内部非易失性存储器中回溯到t₁时刻所述组合导航定位系统推算出的深海水下自主航行器位置为利用有源校准信息中的t₁时刻位置对其进行校准，并对导航定位解算的参数进行修正；

然后以校准之后的t₁时刻位置作为初始位置，利用修正后的导航定位解算参数对导航定位信息重新进行推算，得出有源校准后t₂时刻深海AUV位置及航向、姿态信息；t₂时刻之后的导航定位信息均以有源校准之后的数据为准进行推算。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的方法，其特征在于，所述水声定位系统的水上单元为超短基线定位系统水上单元，所述水声定位系统的水下单元为水声定位信标。