CN109855649A - 一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，本发明涉及一种水下滑翔机轨迹确定方法。目前无法对载体进行被动轨迹推算。本发明：根据滑翔机的入水点和出水点位置获得滑翔机所处区域平均洋流流速和流向；计算滑翔机的垂直运动速度；获得滑翔机的姿态转移矩阵；获得滑翔机每一个时刻的姿态及姿态转移矩阵；根据滑翔机的垂直运动速度和姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度；根据洋流流速和瞬时速度获得滑翔机的总速度通过对瞬时速度求积分得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为完整剖面的滑翔机运动轨迹图。本发明通过获得滑翔机在一个运动剖面的运动轨迹，实现对轨迹的被动推算。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下滑翔机轨迹确定的方法，特别涉及一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法。
背景技术
水下滑翔机平台是能够应用于深海声目标被动探测和海洋环境噪声特性测量的系统平台。深海声传播存在明显的声汇聚和影区效应，系统的探测性能受工作深度的影响较大，探测系统要具有多个深度声信号采集记录能力，以保证探测设备可以对位于不同距离的目标进行有利探测。水下滑翔机作为新型水下探测平台，其具有水下工作时间长、可变深度采集声学信息、自控能力强、隐蔽性好、信息传输便捷等特点，在水声探测和声学海洋环境监测中可发挥重要的作用。水下滑翔机平台探测系统的缺点在于尺寸小，搭载能力差，电力有限，因此无法装载大型声学探测系统。根据被动合成孔径原理，在载体运动轨迹已知的情况下，可以将运动的单基元合成为一个较长的阵列，从而提高探测精度。将被动合成孔径应用到水下滑翔机平台中，可以突破该探测系统尺寸小的缺点，但是难点在于如何获得平台的运动轨迹。这里给出了一种利用水下滑翔机平台搭载的罗经和深度计获取的信息对运动轨迹进行推算的方法。
经过文献检索发现，有下列文献对基于罗经的轨迹推算和滑翔机导航定位技术进行了研究：
王淑炜,张延顺.基于罗经/DVL/水声定位系统的水下组合导航方法研究[J].海洋技术学报,2014,33(1):19-23.(以下简称文献1)
黄海洋.水下滑翔机GPS/SINS组合导航系统研究[D].哈尔滨工程大学,2009.(以下简称文献2)
文献1研究了基于罗经和DVL(多普勒速度计程仪)的导航定位方法，在此基础上通过水声定位系统来提高定位精度。通过文献1的描述知道罗经和深度计信息可以实现载体定位。
文献2给出了基于GPS和SINS(捷联惯性导航系统)的组合导航系统，并将该系统应用于水下滑翔机中，采用卡尔曼滤波算法，实现滑翔机的导航定位。
上述文献都是在罗经信息和GPS信息的基础上，结合DVL或惯导系统来实现对载体的导航定位，并未给出在只有罗经、GPS和深度计信息的情况下如何对载体进行被动轨迹推算。
发明内容
本发明的目的是为了解决在只有罗经、GPS和深度计信息的情况下，存在的无法对载体进行被动轨迹推算的问题，而提出一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法。
一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；
步骤二、根据滑翔机搭载的深度计信息计算出滑翔机的垂直运动速度；
步骤三、根据罗经在滑翔机上的搭载方式获得滑翔机的姿态转移矩阵；
步骤四、利用滑翔机搭载的罗经获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；
步骤五、根据滑翔机的垂直运动速度和的每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度；
步骤六、根据洋流流速和瞬时速度获得滑翔机的总速度；
步骤七、以入水点的GPS为基准，通过对步骤五的瞬时速度求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图。
本发明与之前方法的不同之处如下：
1.文献1中给出的方法是罗经、DVL和水声定位系统相结合的导航方法，水下滑翔机的轨迹推算无法结合水声定位系统，也不能装载DVL设备，因此文献1方法不适用于水下滑翔机的轨迹推算；
2.文献2综述了基于GPS和SINS(捷联惯性导航系统)的组合导航系统，并将该系统应用于水下滑翔机中，采用卡尔曼滤波算法，实现滑翔机的导航定位。同文献1，文献2方法所用信息较多，不适合本发明所涉及的应用条件；
本发明的有益效果为：
本发明首先根据罗经获取滑翔机在每一个时刻的姿态，计算出姿态转移矩阵，然后根据深度计和滑翔机的入水点和出水点推算出平台运动的速度。结合滑翔机的姿态信息对运动速度进行积分，从而获得滑翔机在一个运动剖面的运动轨迹，实现对轨迹的被动推算。通过滑翔机搭载的罗经和深度计信息，结合入水点和出水点的GPS，能够推算出滑翔机在水下的运动轨迹，相比于组合导航来讲，不需要搭载重量较大的多普勒测速仪来精确获得流速，实施过程简单，能够保证在低精度要求的情况下掌握滑翔机的轨迹。
附图说明
图1是滑翔机运动轨迹示意图；
图2是大地坐标系；
图3是滑翔机载体坐标系；
图4滑翔机轨迹推算流程图；
图5被动轨迹推算仿真案例示意图；
图6为本发明的方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，推算出平台运动区域的平均流速和流向信息；
步骤二、根据滑翔机搭载的深度计信息计算出滑翔机的垂直运动速度VZ；
步骤三、根据罗经装载特点推导姿态转移矩阵R；
步骤四、根据滑翔机搭载的罗经获得每一个时刻滑翔机的姿态，从而计算出每一个时刻的姿态转移矩阵Ri；
步骤五、根据步骤二滑翔机的垂直运动速度VZ和步骤四的各时刻的姿态转移矩阵Ri，求出滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度Vi；
步骤六、根据步骤一计算出的洋流速度和步骤五计算出的瞬时速度Vi求出滑翔机的总速度v＝[vE,vN,vH]；
步骤七、以入水点的GPS为基准，通过对步骤五的瞬时速度求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤一中，根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息的过程，具体为：
步骤一一、设滑翔机在依靠自身重力、水的浮力以及洋流的条件下完成一个剖面的运动，示意图如图1所示。通过滑翔机搭载的罗经记录载体每一个时刻的姿态信息，由r(t)表示滑翔机的横滚角roll，由表示俯仰角pitch，由θ(t)表示航向角heading；入水点位置的GPS坐标为Gr＝(Xr,Yr)，出水点位置的GPS坐标为Gc＝(Xc,Yc)；通过滑翔机搭载的深度计记录载体每一个时刻的深度信息h(t)；对于入水点和出水点两位置的GPS坐标Gr＝(Xr,Yr)和Gc＝(Xc,Yc)，其中，Xr,Xc为经度，Yr,Yc为纬度；
步骤一二、将地球视为标准球体，通过求解入水点和出水点两点之间的弧长得到距离；且地球半径为RG＝6371.0km；
将经纬度转换为弧度：
Y′r＝Yr*π/180
X′r＝Xr*π/180
Y′c＝Yc*π/180
X′c＝Xc*π/180
则，两点之间的南北向距离为：
dY＝RG*|(Y′r-Y′c)|
东西向距离为：
dX＝RG*|(Xr′-Xc′)|；
步骤一三、设滑翔机运动一个剖面的时间为T，从而得出滑翔机所处运动区域的平均洋流流速，且南北向和东西向的平均洋流流速分别：
具体实施方式三：
与具体实施方式二不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤二中，根据滑翔机搭载的深度计信息计算滑翔机的垂直运动速度的计算公式为：将滑翔机的垂直运动速度表示为VZ，垂直运动速度VZ等于载体深度的变化率，即对深度d(t)进行微分：
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤三中，根据罗经在滑翔机上的搭载方式获得滑翔机的姿态转移矩阵的过程，具体为：
步骤三一、首先，将姿态转移矩阵表示为R；然后，按照如下规则建立载体坐标系如图3所示的：滑翔机载体本身的前进方向作为X'轴正方向，将两机翼延展方向分别作为Y'轴、Z'轴的正方向；再根据罗经安装方式的特点，将载体沿X'轴逆时针旋转的角度作为横滚角(roll)r，将载体自身轴线偏向海底与水平方位的夹角作为俯仰角即载体沿Y'轴顺时针旋转的角度，将载体在行进时偏向东与正北方向的夹角作为航向角(heading)θ；
步骤三二、建立右手坐标系，根据右手螺旋定则旋转，得X'轴、Y'轴、Z'轴的旋转矩阵分别为：
进而得到载体坐标系X′Y′Z′旋转到大地坐标系XYZ的姿态转移矩阵：R＝RzRyRx，并且三个旋转矩阵的前后顺序不能调换。
具体实施方式五：
与具体实施方式四不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤四中，利用滑翔机搭载的罗经获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵的计算公式为：
将每一个时刻的姿态转移矩阵表示为Ri，且
其中，分别表示第i个时间点滑翔机的横滚角、俯仰角和航向角。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤五中，根据滑翔机的垂直运动速度和的每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度的过程，具体为：
步骤五一、滑翔机在只受重力和浮力的作用并且下潜角度已知的情况下，滑翔机的总速度方向为沿载体X'轴的正方向，即载体速度：
V'＝[Vx',Vy',Vz']＝[Vx',0,0]
大地坐标系速度矢量V与载体速度矢量V′的关系为：
VT＝RV'T
即：
步骤五二、根据步骤二获得的垂直运动速度VZ，推导出Vx'的值，从而得出VE和VN；其中，VE为大地坐标系下的东向速度，VN为大地坐标系下的北向速度；
步骤五三、将第i个时刻的姿态转移矩阵Ri和垂直运动速度VZ(ti)代入公式VT＝RV'T表示的关系式，即可得到第i个时刻的瞬时速度Vi。
具体实施方式七：
与具体实施方式六不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤六中，根据洋流流速和瞬时速度获得滑翔机的总速度的计算公式为：
将滑翔机的总速度表示为v＝[vE,vN,vH]，则：
具体实施方式八：
与具体实施方式七不同的是，本实施方式的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，所述的步骤七中，得到的一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图表示为：
然后，将轨迹转换为经纬度：
实施例1：
设有一个滑翔机，在依靠自身重力、水的浮力以及洋流的情况下完成了一个剖面的运动，示意图如图1所示。滑翔机搭载的罗经记录了载体每一个时刻的姿态信息，r(t)为滑翔机的横滚角roll，为俯仰角pitch，θ(t)为航向角heading。入水点位置的GPS坐标为Gr＝(Xr,Yr)，出水点位置的GPS坐标为Gc＝(Xc,Yc)。滑翔机搭载的深度计记录了载体每一个时刻的深度信息h(t)。
步骤一、根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，推算出平台运动区域的平均流速和流向信息；
已知入水点和出水点两位置的GPS坐标分别为Gr＝(Xr,Yr)和Gc＝(Xc,Yc)，其中Xr,Xc为经度，Yr,Yc为纬度。由于滑翔机在一个剖面的行进距离通常不超过3km，所以可以将地球视为标准球体，通过求解入水点和出水点两点之间的弧长来得出距离，其中地球半径为RG＝6371.0km。首先将经纬度转换为弧度：
Yr′＝Yr*π/180
X′′＝Xr*π/180
Y′c＝Yc*π/180
X′c＝Xc*π/180
则两点之间的南北向距离为：
dY＝RG|(Y′r-Yc′)|
东西向距离为：
dX＝RG*|(Xr′-Xc′)|
设滑翔机运动一个剖面的时间为T，从而可以计算出该区域洋流的流速：
步骤二、根据滑翔机搭载的深度计信息计算出滑翔机的垂直运动速度VZ；
垂直运动速度VZ等于对载体深度的变化率，也就是对深度d(t)进行微分：
步骤三、根据罗经装载特点推导姿态转移矩阵R；
首先按照图3建立载体坐标系，根据罗经安装特点，横滚角(roll)r为载体沿X'轴逆时针旋转的角度，俯仰角是载体自身轴线偏向海底与水平方位的夹角，即载体沿Y'轴顺时针旋转的角度，航向角(heading)θ为载体在行进时偏向东与正北方向的夹角。
建立右手坐标系，根据右手螺旋定则旋转，X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵分别为：
进而可以得到载体坐标系X′Y′Z′旋转到大地坐标系XYZ的姿态转移矩阵：
R＝RzRyRx
并且三个旋转矩阵的前后顺序不能调换。
步骤四、根据滑翔机搭载的罗经获得每一个时刻滑翔机的姿态，从而计算出每一个时刻的姿态转移矩阵Ri；
其中分别表示第i个时间点滑翔机的横滚角、俯仰角和航向角。
步骤五、根据步骤二滑翔机的垂直运动速度VZ和步骤四的各时刻的姿态转移矩阵Ri，求出滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度Vi；
在只受重力和浮力的作用并且下潜角度已知的情况下，滑翔机的和速度方向为沿载体X轴的正方向，即载体速度：
V'＝[Vx',Vy',Vz']＝[Vx',0,0]
大地坐标系速度矢量V与载体速度矢量V′的关系为：
VT＝RV'T
即：
根据步骤二计算出的垂直运动速度VZ，可以推导出Vx'的值，从而得出VE和VN。将第i个时间点的姿态转移矩阵Ri和垂直运动速度VZ(ti)代入，即可得到第i个时间点的瞬时速度Vi。
步骤六、根据步骤一计算出的洋流速度和步骤五计算出的瞬时速度Vi求出滑翔机的总速度v＝[vE,vN,vH]：
步骤七、以入水点的GPS为基准，通过对步骤五的瞬时速度求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图；
然后将轨迹转换为经纬度：
由于洋流的影响，滑翔机运动的合速度矢量方向与滑翔机的艏方向之间具有攻角α，如图1所示。
实施案例仿真分析：图5为一典型滑翔机被动轨迹推算结果，仿真条件如下：入水点GPS为Gr＝(110.691666,17.322222)，出水点Gc＝(110.591666,17.422222)，信号采集时间T＝10000s，航向角为北偏西30°，横滚角在[-10°～10°]之间随机变化，前5000s俯仰角为-60°，后5000s俯仰角为60°，根据上述实现步骤对滑翔机轨迹进行推算，可以得到图5的仿真结果。滑翔机先下潜后上升，总体向西北方向运动，与理论推导一致。
本发明还可有其它多种实施案例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息；
步骤二、根据滑翔机搭载的深度计信息计算出滑翔机的垂直运动速度；
步骤三、根据罗经在滑翔机上的搭载方式获得滑翔机的姿态转移矩阵；
步骤四、利用滑翔机搭载的罗经获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵；
步骤五、根据滑翔机的垂直运动速度和的每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度；
步骤六、根据洋流流速和瞬时速度获得滑翔机的总速度；
步骤七、以入水点的GPS为基准，通过对步骤五的瞬时速度求积分，得到每一个时刻滑翔机的三维坐标信息，各时刻坐标组合即为一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图。
2.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤一中，根据滑翔机的入水点和出水点位置的GPS信息，获得滑翔机所处运动区域的平均洋流流速和流向信息的过程，具体为：
步骤一一、设滑翔机在依靠自身重力、水的浮力以及洋流的条件下完成一个剖面的运动，通过滑翔机搭载的罗经记录载体每一个时刻的姿态信息，由r(t)表示滑翔机的横滚角roll，由表示俯仰角pitch，由θ(t)表示航向角heading；入水点位置的GPS坐标为Gr＝(Xr,Yr)，出水点位置的GPS坐标为Gc＝(Xc,Yc)；通过滑翔机搭载的深度计记录载体每一个时刻的深度信息h(t)；入水点和出水点两位置的GPS坐标Gr＝(Xr,Yr)和Gc＝(Xc,Yc)，其中，Xr,Xc为经度，Yr,Yc为纬度；
步骤一二、将地球视为标准球体，通过求解入水点和出水点两点之间的弧长得到距离；将经纬度转换为弧度：
Y′r＝Yr*π/180
X′r＝Xr*π/180
Y′c＝Yc*π/180
X′c＝Xc*π/180
则，两点之间的南北向距离为：
dY＝RG*|(Y′r-Y′c)|
东西向距离为：
dX＝RG*|(Xr′-Xc′)|；
其中，RG表示地球半径，RG＝6371.0km；
步骤一三、设滑翔机运动一个剖面的时间为T，从而得出滑翔机所处运动区域的平均洋流流速，且南北向和东西向的平均洋流流速分别：
3.根据权利要求2所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤二中，根据滑翔机搭载的深度计信息计算滑翔机的垂直运动速度的计算公式为：将滑翔机的垂直运动速度表示为VZ，垂直运动速度VZ等于载体深度的变化率，即对深度d(t)进行微分：
4.根据权利要求3所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤三中，根据罗经在滑翔机上的搭载方式获得滑翔机的姿态转移矩阵的过程，具体为：
步骤三一、首先，将姿态转移矩阵表示为R；然后，按照如下规则建立载体坐标系：滑翔机载体本身的前进方向作为X'轴正方向，将两机翼延展方向分别作为Y'轴、Z'轴的正方向；再根据罗经安装方式的特点，将载体沿X'轴逆时针旋转的角度作为横滚角r，将载体自身轴线偏向海底与水平方位的夹角作为俯仰角即载体沿Y'轴顺时针旋转的角度，将载体在行进时偏向东与正北方向的夹角作为航向角θ；
步骤三二、建立右手坐标系，根据右手螺旋定则旋转，得X'轴、Y'轴、Z'轴的旋转矩阵分别为：
进而得到载体坐标系X′Y′Z′旋转到大地坐标系XYZ的姿态转移矩阵：R＝RzRyRx。
5.根据权利要求4所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤四中，利用滑翔机搭载的罗经获得滑翔机每一个时刻的姿态，从而获得每一个时刻的姿态转移矩阵的计算公式为：
将每一个时刻的姿态转移矩阵表示为Ri，且
其中，ri,θi分别表示第i个时间点滑翔机的横滚角、俯仰角和航向角。
6.根据权利要求5所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤五中，根据滑翔机的垂直运动速度和的每一个时刻的姿态转移矩阵，获得滑翔机在重力和浮力作用下第i个时间点的瞬时速度的过程，具体为：
步骤五一、滑翔机在只受重力和浮力的作用并且下潜角度已知，滑翔机的总速度方向为沿载体X'轴的正方向，即载体速度：
V'＝[Vx',Vy',Vz']＝[Vx',0,0]
大地坐标系速度矢量V与载体速度矢量V′的关系为：
VT＝RV'T
即：
步骤五二、根据步骤二获得的垂直运动速度VZ，推导出Vx'的值，从而得出VE和VN；其中，VE为大地坐标系下的东向速度，VN为大地坐标系下的北向速度；
步骤五三、将第i个时刻的姿态转移矩阵Ri和垂直运动速度VZ(ti)代入公式VT＝RV'T表示的关系式，即可得到第i个时刻的瞬时速度Vi。
7.根据权利要求6所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤六中，根据洋流流速和瞬时速度获得滑翔机的总速度的计算公式为：
将滑翔机的总速度表示为v＝[vE,vN,vH]，则：
8.根据权利要求7所述的一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法，其特征在于：所述的步骤七中，得到的一个完整剖面的滑翔机运动轨迹图表示为：
然后，将轨迹转换为经纬度：
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