CN113124865B - 一种水下航行器导航定位系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下航行器导航定位系统及控制方法，包括任务识别模块、导航定位模式匹配模块和执行模块。任务识别模块用于识别水下航行器的任务，根据不同的任务需求，由导航定位模式匹配模块对水下航行器当前任务进行导航定位模式匹配，执行模块根据导航定位模式通过内置的程序控制水下航行器导航的开启或关闭。通过对水下航行器不同任务匹配相应的导航定位模式，不仅提高了导航定位精度，而且节省了作业空间，更进一步从节流的角度较大地减少水下航行器能源的消耗，提升了水下航行器的续航能力，并在一定程度上解决了现有水下航行器的导航定位模式系统不能兼容多种任务的适应性差和续航能力弱的问题。

Description

一种水下航行器导航定位系统及控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行器控制技术领域，尤其涉及一种水下航行器导航定位系统及控制方法。

背景技术

随着科学技术的进步，人类对海洋的探索逐渐深入，特别是深海的探索方兴未艾，蓬勃发展。由于深海环境对于人类而言过于恶劣，水下航行器技术就显得特别重要，几乎能够等同于宇宙飞船对于探索太空的地位。不管是用于军事目的还是民事用途，水下航行器的发展趋势都是朝着智能化、自主化稳步推进，就这要求水下航行器具有更加智能的自主决策能力、更加持久的续航能力以及较好的隐蔽性。

高精度导航模式系统是水下航行器的关键技术之一，往往是决定水下航行器执行任务成败的关键。现有的水下航行器导航模式比较固定，而且技术相对落后，其采用预设的死板组合导航方式不仅不能精确适用各种不同的任务，还存在极大地降低了水下航行器的自主决策水平和续航能力。

发明内容

本发明实施例提供了一种水下航行器导航定位系统及控制方法，用于解决现有水下航行器的导航定位模式系统不能兼容多种任务，使得其导航定位精度优先、响应时间缓慢且续航能力弱的技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种水下航行器导航定位系统，包括任务识别模块、导航定位模式匹配模块和执行模块；

所述任务识别模块，用于识别水下航行器执行所处环境的任务，得到所述任务中水下航行器航行的任务深度和任务航程；

所述导航定位模式匹配模块，用于根据所述任务给水下航行器匹配导航定位模式；

所述执行模块，用于根据所述导航定位模式控制水下航行器导航的开启或关闭。

优选地，所述导航定位模式匹配模块包括浅海导航定位模式子模块、深海导航定位模式子模块和海中导航定位模式子模块；

所述浅海导航定位模式子模块，用于根据第一约束条件给水下航行器匹配的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

所述深海导航定位模式子模块，用于根据第二约束条件和水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值给水下航行器匹配的导航定位模式为深海导航定位模式；

所述海中导航定位模式子模块，用于根据第三约束条件和所述任务航程给水下航行器匹配的导航定位模式为海中导航定位模式；

其中，所述第一约束条件为：水下航行器接收到卫星导航信号；所述第二约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值以及水下航行器能接收地形匹配导航信号；所述第三约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值。

优选地，所述深海导航定位模式子模块用于根据所述第二约束条件确定水下航行器执行所述任务所处海域为深海，之后再根据水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值确定水下航行器执行所述任务的导航定位模式；所述深海导航定位模式子模块的导航定位模式用于根据水下航行器的惯性导航误差不大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以惯性导航为主导航、地形匹配导航为辅助导航的深海短航程的导航定位模式；或用于根据水下航行器的惯性导航误差大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以地形匹配导航为主导航、惯性导航为辅助导航的深海中航程的导航定位模式或是以地形匹配导航为主导航、重力场导航为辅助导航的深海长航程的导航定位模式。

优选地，所述海中导航定位模式子模块用于根据所述第三约束条件确定水下航行器执行所述任务所处海域为海中，之后所述海中导航定位模式子模块用于根据水下航行器的任务航程确定是以惯性导航为主导航、以重力场导航为辅助导航的海中短航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以惯性导航为辅助导航的海中中航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以地磁导航为辅助导航的海中长航程的导航定位模式。

优选地，所述执行模块还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号以及水下航行器与水平面之间的水面距离小于距离阈值，开启水下航行器的卫星导航。

优选地，所述执行模块还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航。

优选地，所述执行模块用于根据所述导航定位模式开启相应的主导航和辅助导航，关闭水下航行器中其他的导航。

优选地，在所述第二约束条件中，采用深度检测设备检测水下航行器与水平面之间的水面距离；在所述第三约束条件中，采用深度检测设备检测水下航行器与海底之间的深度距离。

本发明还提供一种水下航行器导航定位系统的控制方法，包括以下步骤：

S1.获取水下航行器的执行任务，根据所述执行任务判断水下航行器是否接收到卫星导航信号；

S2.若水下航行器能接收到卫星导航信号，水下航行器的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

S3.若水下航行器不能接收到卫星导航信号，判断水下航行器与水平面之间的水面距离是否小于距离阈值，若是，执行步骤S4；若否，开启水下航行器的卫星导航并重新执行步骤S1；

S4.判断水下航行器是否能接收地形匹配导航信号，若是，水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式；若否，再次判断水下航行器与海底之间的深度距离是否小于深度阈值；

S5.若水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航并重新执行步骤S4；若水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值，水下航行器的导航定位模式为海中导航定位模式。

优选地，在步骤S4和步骤S5中，当水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式或海中导航定位模式时还包括：

获取水下航行器的惯性导航误差，判断所述惯性导航误差是否不大于第一误差阈值；

若所述惯性导航误差不大于第一误差阈值，水下航行器的航行航程为短航程，若所述惯性导航误差大于第一误差阈值，再次判断所述惯性导航误差是否不大于第二误差阈值；

若所述惯性导航误差不大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为中航程；若所述惯性导航误差大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为长航程。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该水下航行器导航定位系统及控制方法采用任务识别模块识别水下航行器执行所处环境的任务，根据任务需求通过导航定位模式匹配模块给水下航行器匹配导航定位模式，执行模块根据导航定位模式开启匹配的主导航和辅助导航，关闭其他导航定位模式的主导航和辅助导航，从而保障水下航行器导航定位系统导航定位模式精度的前提条件下，节省出更多的作业重量和作业体积，保证了水下航行器的长时间续航。该水下航行器导航定位系统也能够大幅提高了水下航行器在不同任务情况下的导航定位模式精度，同时从节流的角度较大地减少了水下航行器能源的消耗，极大地提高了水下航行器的续航水平；解决了现有水下航行器的导航定位模式系统不能兼容多种任务，使得其导航定位精度优先、响应时间缓慢且续航能力弱的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例所述的水下航行器导航定位系统的框架图。

图2为本发明实施例所述的水下航行器导航定位系统九种导航定位模式的框架图。

图3为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法的步骤流程图。

图4为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法的流程图。

图5为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法航程判断的流程图。

图6为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法又一的流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种水下航行器导航定位系统及控制方法采用水下航行器作为案例进行说明，该水下航行器采用集成化、模块化设计形成航行系统，水下航行器导航定位系统中的导航定位模式系统可以根据不同的任务需求，适时自动采用不同的导航定位模式以便于实现高精度、低功耗的导航定位模式效果。在本实施例中，水下航行器导航定位系统中的导航包括惯性导航、卫星导航、地球物理导航和其他辅助元件。

惯性导航是一种完全自主式的导航系统，可以分为平台式惯导和捷联式惯导；惯性导航不受环境、载体机动和无线电干扰的影响，能连续提供全部导航参数，在短时间内能够提供较高的相对精度，但随航行时间和航行距离的增加，惯性导航会产生定位误差的持续积累和发散。

卫星导航是基于无线电的导航方法，利用接收机接收到的信号来确定的位置；常用的卫星导航具备北斗卫星导航系统和GPS导航系统。若将卫星导航应用在水下航行器中，由于卫星导航的电磁波在水中快速衰减，传统的GPS卫星导航技术只适用于水体表层有限的区域，需要水下航行器(也称AUV)浮出水平面定位，具有隐蔽性差的缺陷，因此该卫星导航在AUV上的使用受到极大限制。

地球物理导航是一种可用于水下定位导航的尖端技术，它根据目标海域的地球物理参数(地磁场、重力场、深度和地形等)特征分布制作物理信标，将实时测量的地球物理参数值与先验信息进行匹配，从而实现水下定位。地球物理导航根据地球物理参数的不同，主要分为地磁导航、重力场导航、地形匹配导航等。

其他辅助元件包括深度检测设备和无线电模块，用于测量AUV当前所处的水深或辅助航程模式，从而辅助判定当前任务模式。

本申请实施例提供了一种水下航行器导航定位系统及控制方法，用于解决了现有水下航行器的导航定位模式系统不能兼容多种任务，使得其导航定位精度优先、响应时间缓慢且续航能力弱的技术问题。

实施例一：

图1为本发明实施例所述的水下航行器导航定位系统的框架图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种水下航行器导航定位系统，包括任务识别模块10、导航定位模式匹配模块20和执行模块30；

任务识别模块10，用于识别水下航行器执行所述环境的任务，得到任务中水下航行器航行的任务深度和任务航程；

导航定位模式匹配模块20，用于根据任务给水下航行器匹配导航定位模式；

执行模块30，用于根据导航定位模式控制水下航行器导航的开启或关闭。

在本发明实施例中，导航定位模式匹配模块20包括浅海导航定位模式子模块21、深海导航定位模式子模块22和海中导航定位模式子模块23；

浅海导航定位模式子模块21，用于根据第一约束条件给水下航行器匹配的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

深海导航定位模式子模块22，用于根据第二约束条件和水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值给水下航行器匹配的导航定位模式为深海导航定位模式；

海中导航定位模式子模块23，用于根据第三约束条件和任务航程给水下航行器匹配的导航定位模式为海中导航定位模式；

其中，第一约束条件为：水下航行器接收到卫星导航信号；第二约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值以及水下航行器能接收地形匹配导航信号；第三约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值。

在本发明实施例中，任务识别模块10主要用于识别水下航行器执行所处环境的任务。

需要说明的是，任务识别模块10主要是识别水下航行器需要在哪个海域中航行以及航行的任务航程，是为了区分不同执行任务通过导航定位模式匹配模块20判断得到与执行任务匹配的导航定位模式，避免水下航行器中众多导航定位模式同时启动，增加了水下航行器的自身能源消耗，从而降低了水下航行器的续航时间。

在本发明实施例中，导航定位模式匹配模块20主要根据任务识别模块10识别的任务给水下航行器执行该任务匹配对应的导航定位模式，从而提高水下航行器的续航能力。

在本发明实施例中，浅海导航定位模式子模块21主要是根据水下航行器执行任务时是否满足第一约束条件，若满足给水下航行器匹配采用卫星导航的浅海导航定位模式的导航定位模式。

需要说明的是，浅海导航定位模式的导航定位模式也是根据水下航行器航行的任务航程分为浅海短航程的导航定位模式、浅海中航程的导航定位模式和浅海长航程的导航定位模式。在本实施例中，不管水下航行器航行的任务航程是短、中、长给水下航行器匹配的导航定位模式的导航均为卫星导航。当导航定位模式匹配模块20知晓水下航行器的导航定位模式为浅海导航定位模式时，不管水下航行器的任务航程是中航程、长航程还是短航程，导航定位模式匹配模块20给水下航行器匹配的主导航和辅助导航均为卫星导航。

深海导航定位模式子模块22主要是根据是否满足第二约束条件和水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值给水下航行器匹配的导航定位模式为深海导航定位模式。

需要说明的是，在第二约束条件中，优先采用深度计这个深度检测设备检测水下航行器与水平面之间的水面距离，距离阈值优先选为20m。

海中导航定位模式子模块23主要是根据是否满足第三约束条件和任务航程给水下航行器匹配的导航定位模式为海中导航定位模式。

需要说明的是，在第三约束条件中，优先采用深度计这个深度检测设备检测水下航行器与海底之间的深度距离，深度阈值优先选为50m。在本实施例中，深度检测设备的使用是为了得到水下航行器与水平面之间的距离，深度检测设备判定的目的在于由于若接收不到卫星导航信号不能充分判定为浅海导航定位模式的导航定位模式，因为若水下航行器处在动态任务切换过程中，如从较深的水深上浮时，此时卫星导航处于关闭状态是无法接收到卫星导航信号的，因此需要增加深度检测设备判定，确保是在卫星导航处于关闭状态情况下接收不到卫星导航信号，从而浅海导航定位模式的导航定位模式。深度检测设备的使用是为了得到水下航行器与海底之间的距离，例如：在水下航行器在动态任务切换过程中，如从较浅的水深下潜时，此时水下航行器导航定位系统的地形匹配导航处于关闭状态，此时水下航行器导航定位系统是无法接收到地形匹配导航信号的，因此需要深度检测设备判定，确保是在地形匹配导航处于关闭状态情况下接收不到地形匹配导航信号，从而判定深海导航定位模式的导航定位模式。因此本发明提供的一种水下航行器导航定位系统能够保证水下航行器在执行不同任务之间动态切换下，最大限度地节约自生能源、提升续航能力。

在本发明实施例中，当水下航行器导航定位系统采用浅海导航定位模式为导航定位模式，浅海导航定位模式的导航定位模式仅采用卫星导航定位模式，由于卫星导航具有实时性，高效性和高精度，在水下航行器执行浅海任务时，可以采用卫星导航满足任务要求，其他导航可判断性装载或者在短航程任务模式下处于关闭，以达到节约能源提高续航和增大工作空间的目的。

在本发明实施例中，当水下航行器导航定位系统采用深海导航定位模式为导航定位模式，即是水下航行器接近海底，采用地形匹配导航为主导航；而地形匹配导航本身属于自主导航和无源导航，相较于卫星导航需要定期上浮至海面接收信号所带来的隐蔽性大打折扣和任务时间的损失，地形匹配导航的自身属性优势明显。

在本发明实施例中，该水下航行器导航定位系统根据水下航行器工作时距离水平面的深度分为浅海导航定位模式、海中导航定位模式和深海导航定位模式三种导航定位模式，其中浅海导航定位模式和海中导航定位模式这两种导航定位模式的判断依据为能否接收卫星导航信号，能够接收卫星导航信号则为浅海导航定位模式，无法接收到卫星导航信号则为海中导航定位模式；海中导航定位模式和深海导航定位模式这两种导航定位模式的判断依据为水下航行器一段时间间隔内相对于海底的平均高度，若平均高度小于等于50m，则为深海导航定位模式，大于50m则为海中导航定位模式，此判断标准的依据是50m是水下航行器采用多波束测深仪的工作距离，也是地形匹配导航的特征距离，在特征距离内地形匹配导航的定位精度高。

需要说明的是，浅海导航定位模式仅采用卫星导航为主导航，而不是采用短航程用惯性导航为主导航是因为仅用卫星导航就能保证精度且简单经济、节约能源以提高续航，短航程采用惯性导航为主导航而不是深海用地形导航为主导航是因为短航程内惯性导航精度高于地形匹配导航精度，故在浅海导航定位模式下的短航程任务采用惯性导航作为主导航。

本发明提供的一种水下航行器导航定位系统采用任务识别模块识别水下航行器的执行任务，根据执行任务的需求在浅海导航定位模式子模块、深海导航定位模式子模块和海中导航定位模式子模块判断水下航行器所处海域的导航定位模式，执行模块根据所处海域的导航定位模式开启匹配的主导航和辅助导航，关闭其他导航定位模式的主导航和辅助导航，从而保障水下航行器导航定位系统导航定位模式精度的前提条件下，节省出更多的作业重量和作业体积，保证了水下航行器的长时间续航。该水下航行器导航定位系统也能够大幅提高了水下航行器在不同任务情况下的导航定位模式精度，同时从节流的角度较大地减少了水下航行器能源的消耗，极大地提高了水下航行器的续航水平；解决了现有水下航行器的导航定位模式系统不能兼容多种任务，使得其导航定位精度优先、响应时间缓慢且续航能力弱的技术问题。

本发明的一个实施例中，执行模块30还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号以及水下航行器与水平面之间的水面距离小于距离阈值，开启水下航行器的卫星导航，使得该水下航行器导航定位系统的导航定位模式为浅海导航定位模式。

在本发明的一个实施例中，执行模块30还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航，使得该水下航行器导航定位系统的导航定位模式为深海导航定位模式。

在本发明的一个实施例中，深海导航定位模式子模块22用于根据第二约束条件确定水下航行器执行任务所处海域为深海，之后再根据水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值确定水下航行器执行任务的导航定位模式；深海导航定位模式子模块22的导航定位模式用于根据水下航行器的惯性导航误差不大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以惯性导航为主导航、地形匹配导航为辅助导航的深海短航程的导航定位模式；或用于根据水下航行器的惯性导航误差大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以地形匹配导航为主导航、惯性导航为辅助导航的深海中航程的导航定位模式或是以地形匹配导航为主导航、重力场导航为辅助导航的深海长航程的导航定位模式。

需要说明的是，第一误差阈值优先选为1％。在深海导航定位模式的短航程的导航定位模式下，水下航行器以惯性导航为主导航，惯性导航在短航程内的定位精度高，相对而言，深海导航定位模式的地形匹配导航也具有相似的精度优势，但考虑到地形匹配普适性没有惯性导航高，即地形特征不明显区域可能出现误匹配现象，故将地形匹配导航作为辅助导航系统。在深海导航定位模式的短航程的导航定位模式中惯性导航先为地形匹配导航提供大致的导航信息，以减少地形匹配导航与预载的地形信息地图匹配搜索区域，提高组合导航的快速性；反过来，地形匹配导航通过预载重力信息地图匹配后，将地形匹配导航信息与惯性导航信息进行信息融合，信息融合过程具体方式采用卡尔曼滤波方法进行，将两种导航信息之间互相融合，修正误差，从而提高水下航行器在在深海导航定位模式的短航程的导航定位模式下的定位精度。在深海导航定位模式的中航程的导航定位模式下，水下航行器导航定位系统以地形匹配导航为主导航、惯性导航为辅助导航。惯性导航为地形匹配导航提供大致的导航信息，以减少地形匹配导航与预载的地形信息地图匹配搜索区域，提高组合导航的快速性。在深海导航定位模式的长航程的导航定位模式下，水下航行器导航定位系统以地形匹配导航为主导航，重力场导航为辅助导航，在长航程的情况下，地球物理参数变化较大，地球物理导航精度优势明显。具体而言，此时重力场和地磁场变化都比较明显，相对而言，在深海导航定位模式中，地形匹配导航精度更高，故采用地形匹配导航为主导航、重力场导航为辅助导航，两者的导航信息通过开尔曼滤波技术进行信息融合，从而实现组合导航。

在本发明的一个实施例中，海中导航定位模式子模块23用于根据第三约束条件确定水下航行器执行所述任务所处海域为海中，之后海中导航定位模式子模块23用于根据水下航行器的任务航程确定是以惯性导航为主导航、以重力场导航为辅助导航的海中短航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以惯性导航为辅助导航的海中中航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以地磁导航为辅助导航的海中长航程的导航定位模式。

需要说明的是，当水下航行器的导航定位模式为短航程的海中导航定位模式，水下航行器导航定位系统惯性导航为主导航，重力场导航为辅助导航系统；其中，惯性导航为重力场导航提供大致的导航信息，以减少重力场导航与预载的重力信息地图匹配搜索区域，提高组合导航的快速性；反过来，重力场导航通过预载重力信息地图匹配后，将重力场导航信息与惯性导航信息进行信息融合，信息融合过程具体方式采用卡尔曼滤波方法进行，这两种导航信息之间互相融合，修正误差，从而实现高精度的组合导航。当水下航行器的导航定位模式为中航程的海中导航定位模式，水下航行器导航定位系统重力场导航为主导航，惯性导航为辅助导航；其中，惯性导航为重力场导航提供大致的导航信息，以减少重力场导航与预载的重力信息地图匹配搜索区域，提高组合导航的快速性；然后，重力场导航通过预载重力信息地图匹配后，将重力场导航信息作为导航信息输入。若这两种导航信息之间没有进行信息融合，此时水下航行器中的惯性导航的误差精度＞3％，而本发明使用的重力梯度仪的精度高于此误差水平，因此这种情况下惯性导航信息没有太大的参考价值和重力场导航信息进行信息融合，而是仅作为重力场导航的粗定位，为重力场导航匹配预载地图缩小搜索范围，从而提高组合导航的快速性。当水下航行器的导航定位模式为长航程的海中导航定位模式，水下航行器导航定位系统重力场导航为主导航，地磁导航为辅助导航；其中，在长航程的情况下，地球物理参数变化较大，地球物理导航精度优势明显，此时重力场和地磁场变化都比较明显，相对而言，地磁场导航受到的干扰相对较大，故采用重力场导航为主导航，地磁场导航为辅助导航，两者的导航信息通过开尔曼滤波技术进行信息融合，从而实现组合导航。

现有的水下航行器的组合导航基本都是以惯性导航为主导航、地形匹配导航为辅助导航，然而在长航程的情况下，惯性导航的累计误差过大，仅仅依靠辅助导航纠偏往往不能够保证精度的要求，此消彼长。特别是在深海导航定位模式的导航定位模式下，地形匹配导航体现出较好的导航定位模式准确性，与现有的水下航行器的组合导航相比，在深海导航定位模式的中、长航程的任务模式下，本发明提供的水下航行器导航定位系统是采用地形匹配导航作为主导航，并关闭在此条件下表现不佳的惯性导航，从而提高精度并节约系统能源。

需要说明的是，地形匹配导航为主惯性导航辅助水下组合导航系统，根据实测地形序列或条带与背景地形的匹配来实施导航定位模式，并且每一次测量都独立，不存在累积误差。地形匹配导航利用测深仪、多波束声纳等地形测量设备，或者利用侧扫声纳等水下地貌探测设备，测量当前水下航行器位置的水下地形地貌数据，并将其与预装在水下航行器导航计算机中的先验高分辨率地形图进行匹配，从而获取水下航行器在地形图中的位置。本发明基于预载的高精度先验水下地形信息，加上惯性导航先进行粗定位在用地形匹配导航细匹配，辅以重力计进行信息比对，最后导航精度能到到10m，这与卫星导航系统精度相当，避免了在特征地形下，导航精度和可靠性较高；但特征不明显或地形近似度较高时，导航可靠性会降低，且已出现误匹配问题。

在本发明的一个实施例中，该水下航行器导航定位系统的执行模块30导航定位模式开启相应的主导航和辅助导航，关闭水下航行器中其他的导航。

需要说明的是，执行模块30主要是用于开启水下航行器执行任务过程中需要的导航，关闭不需要的导航，以达到节约能源提高续航和增大工作空间的目的。如图2所示，本实施例中的水下航行器导航定位系统的导航定位模式包含有9种。

实施例二：

图3为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法的步骤流程图，图4为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法的流程图，图5为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法航程判断的流程图，图6为本发明实施例所述水下航行器导航定位系统的控制方法又一的流程图。

如图3至图6所示，本发明实施例还提供一种水下航行器导航定位系统的控制方法，包括以下步骤：

S1.获取水下航行器的执行任务，根据执行任务判断水下航行器是否接收到卫星导航信号；

S2.若水下航行器能接收到卫星导航信号，水下航行器的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

S3.若水下航行器不能接收到卫星导航信号，判断水下航行器与水平面之间的水面距离是否小于距离阈值，若是，执行步骤S4；若否，开启水下航行器的卫星导航并重新执行步骤S1；

S4.判断水下航行器是否能接收地形匹配导航信号，若是，水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式；若否，再次判断水下航行器与海底之间的深度距离是否小于深度阈值；

S5.若水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航并重新执行步骤S4；若水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值，水下航行器的导航定位模式为海中导航定位模式。

如图5和图6所示，在本发明实施例中，在在步骤S4和步骤S5中，当水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式或海中导航定位模式时还包括：

获取水下航行器的惯性导航误差，判断惯性导航误差是否不大于第一误差阈值；

若惯性导航误差不大于第一误差阈值，水下航行器的航行航程为短航程，若惯性导航误差大于第一误差阈值，再次判断惯性导航误差是否不大于第二误差阈值；

若惯性导航误差不大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为中航程；若惯性导航误差大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为长航程。

如图5和图6所示，在本发明实施例中，根据惯性导航误差分为短航程导航定位模式、中航程导航定位模式和远航程导航定位模式，若惯性导航误差不小于第一误差阈值，则判断水下航行器的任务航程为短航程导航定位模式；若惯性导航误差大于第一误差阈值且不小于第二误差阈值，则判断水下航行器的任务航程为中航程导航定位模式；若惯性导航误差大于第二误差阈值，则判断水下航行器的任务航程为长航程导航定位模式。其中，对应的第一误差阈值可以根据惯性导航的任务航程以及任务深度进行调整设定。若水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式时，第一误差阈值优先选为1％，第二误差阈值优先选为3％；若水下航行器的导航定位模式为海中导航定位模式时，第一误差阈值优先选为3％，第二误差阈值优先选为5％。

需要说明的是，水下航行器在短航程任务模式下，采用惯性导航作为主导航，原因在于短期内惯性导航精度高，结构较为精巧方便，且成熟度高，采用惯性导航作为主导航能够满足任务要求，同理，其他导航可选择性装载或者在在短航程任务模式下处于关闭，以达到节约能源提高续航和增大工作空间的目的。水下航行器在长航程任务模式下，采用地球物理导航中的地磁导航、重力场导航作为主导航，这是因为在长航程情况下，地磁导航、重力场导航的物理参数变化相对较大，从而辨识度更高，导航定位更加精确。

需要说明的是，实施例二中的方法对应实施例一中模块的内容，实施例一已对模块的内容详细阐述，在此实施例中不再对实施例二中方法的内容进行一一阐述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种水下航行器导航定位系统，其特征在于，包括任务识别模块、导航定位模式匹配模块和执行模块；

所述任务识别模块，用于识别水下航行器执行所处环境的任务，得到所述任务中水下航行器航行的任务深度和任务航程；

所述导航定位模式匹配模块，用于根据所述任务给水下航行器匹配导航定位模式；

所述执行模块，用于根据所述导航定位模式控制水下航行器导航的开启或关闭；

所述导航定位模式匹配模块包括浅海导航定位模式子模块、深海导航定位模式子模块和海中导航定位模式子模块；

所述浅海导航定位模式子模块，用于根据第一约束条件给水下航行器匹配的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

所述深海导航定位模式子模块，用于根据第二约束条件和水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值给水下航行器匹配的导航定位模式为深海导航定位模式；

所述海中导航定位模式子模块，用于根据第三约束条件和所述任务航程给水下航行器匹配的导航定位模式为海中导航定位模式；

其中，所述第一约束条件为：水下航行器接收到卫星导航信号；所述第二约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值以及水下航行器能接收地形匹配导航信号；所述第三约束条件为：水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值；

所述深海导航定位模式子模块用于根据所述第二约束条件确定水下航行器执行所述任务所处海域为深海，之后再根据水下航行器的惯性导航误差是否大于第一误差阈值确定水下航行器执行所述任务的导航定位模式；所述深海导航定位模式子模块的导航定位模式用于根据水下航行器的惯性导航误差不大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以惯性导航为主导航、地形匹配导航为辅助导航的深海短航程的导航定位模式；或用于根据水下航行器的惯性导航误差大于第一误差阈值，给水下航行器匹配导航定位模式是以地形匹配导航为主导航、惯性导航为辅助导航的深海中航程的导航定位模式或是以地形匹配导航为主导航、重力场导航为辅助导航的深海长航程的导航定位模式；

所述海中导航定位模式子模块用于根据所述第三约束条件确定水下航行器执行所述任务所处海域为海中，之后所述海中导航定位模式子模块用于根据水下航行器的任务航程确定是以惯性导航为主导航、以重力场导航为辅助导航的海中短航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以惯性导航为辅助导航的海中中航程的导航定位模式；或是以重力场导航为主导航、以地磁导航为辅助导航的海中长航程的导航定位模式。

2.根据权利要求1所述的水下航行器导航定位系统，其特征在于，所述执行模块还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号以及水下航行器与水平面之间的水面距离小于距离阈值，开启水下航行器的卫星导航。

3.根据权利要求1所述的水下航行器导航定位系统，其特征在于，所述执行模块还用于根据水下航行器没有接收到卫星导航信号、水下航行器与水平面之间的水面距离不小于距离阈值、水下航行器没有接收地形匹配导航信号以及水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航。

4.根据权利要求1所述的水下航行器导航定位系统，其特征在于，所述执行模块用于根据所述导航定位模式开启相应的主导航和辅助导航，关闭水下航行器中其他的导航。

5.根据权利要求1所述的水下航行器导航定位系统，其特征在于，在所述第二约束条件中，采用深度检测设备检测水下航行器与水平面之间的水面距离；在所述第三约束条件中，采用深度检测设备检测水下航行器与海底之间的深度距离。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的水下航行器导航定位系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取水下航行器的执行任务，根据所述执行任务判断水下航行器是否接收到卫星导航信号；

S2.若水下航行器能接收到卫星导航信号，水下航行器的导航定位模式为采用卫星导航的浅海导航定位模式；

S3.若水下航行器不能接收到卫星导航信号，判断水下航行器与水平面之间的水面距离是否小于距离阈值，若是，执行步骤S4；若否，开启水下航行器的卫星导航并重新执行步骤S1；

S4.判断水下航行器是否能接收地形匹配导航信号，若是，水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式；若否，再次判断水下航行器与海底之间的深度距离是否小于深度阈值；

S5.若水下航行器与海底之间的深度距离小于深度阈值，开启水下航行器的地形匹配导航并重新执行步骤S4；若水下航行器与海底之间的深度距离不小于深度阈值，水下航行器的导航定位模式为海中导航定位模式。

7.根据权利要求6所述的水下航行器导航定位系统的控制方法，其特征在于，在步骤S4和步骤S5中，当水下航行器的导航定位模式为深海导航定位模式或海中导航定位模式时还包括：

获取水下航行器的惯性导航误差，判断所述惯性导航误差是否不大于第一误差阈值；

若所述惯性导航误差不大于第一误差阈值，水下航行器的航行航程为短航程，若所述惯性导航误差大于第一误差阈值，再次判断所述惯性导航误差是否不大于第二误差阈值；

若所述惯性导航误差不大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为中航程；若所述惯性导航误差大于第二误差阈值，水下航行器的航行航程为长航程。

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