CN202583469U - 自主式水下航行器编队导航系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自主式水下航行器编队导航系统，包括舰载终端和岸基数据服务中心，所述舰载终端包括舰载终端控制器，以及分别与所述舰载终端控制器连接的用于与北斗卫星通信的舰载北斗导航模块、用于与GPS卫星通信的舰载GPS导航模块、舰载GPRS数据传输模块，所述岸基数据服务中心包括数据服务器，以及分别与所述数据服务器连接的岸基北斗导航模块、岸基GPRS数据传输模块。本实用新型综合了北斗卫星、GPS、加速度传感器、GPRS通信等导航定位模块的功能，提高了定位精度，优势互补；利用北斗卫星和GPRS无线通信模块与岸基数据控制中心进行交互通信，实现对多自主式水下航行器编队的实时网络监控，通过WEB和数据库的使用，实现对WEB用户访问的授权。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自主式水下航行器编队导航系统，属于导航通信技术领域。
背景技术
水下导航定位是海洋开发活动与海洋高技术发展的基本前提，自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在航行时必须配备精确的导航系统，以便于航行器的位置定位。
卫星导航定位系统的发展使整个地球表面及地球的大部分外部空间实现全天候导航定位，惯性导航是自主式水下航行器最常用的导航方式，它利用AUV装配的惯性导航器件，利用航位推算原理，基于系统运动方程推算AUV当前位置和下一步的状态信息。惯性导航的优点是可以提供完全自主性和完备的导航信息，缺点是随着航程的增加，定位精度会随之下降，定位误差随航程的增长而无限制得增加，导致滤波器性能下降甚至滤波状态的发散。引入外部信息可以限制惯性导航系统的固有漂移。
目前普遍使用的是全球定位系统GPS。但GPS是由美国国防部控制的，对非美国国防部授权用户，其所获得的定位精度较低，且在战场环境下并非总是可靠的。
基于此，如何研发一种新的不依赖于GPS的高精度定位导航方法和导航系统，是本实用新型主要解决的问题。
发明内容
本实用新型为了解决现有解决海洋采样过程中自主式水下航行器编队的定位不精准和通信问题，提供一种适用于海洋采样网络的多自主式水下航行器编队的综合导航系统，综合了北斗卫星、GPS、加速度传感器、GPRS通信等导航定位模块的功能，实现功能的互为备份，提高了定位精度，优势互补；利用北斗卫星和GPRS无线通信模块与岸基数据控制中心进行交互通信，实现对多自主式水下航行器编队的实时网络监控。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种自主式水下航行器编队导航系统，包括舰载终端和岸基数据服务中心，所述舰载终端包括舰载终端控制器，以及分别与所述舰载终端控制器连接的用于与北斗卫星通信的舰载北斗导航模块、用于与GPS卫星通信的舰载GPS导航模块、舰载GPRS数据传输模块，所述岸基数据服务中心包括数据服务器，以及分别与所述数据服务器连接的岸基北斗导航模块、岸基GPRS数据传输模块。
其中：舰载北斗导航模块用于与北斗通信卫星进行信息交互，舰载终端控制器通过其向北斗卫星发送定位请求及其他相关信息，以及接受北斗卫星发送的定位信息及其他的导航信息；并可以与岸上数据服务中心进行通信交互，接受岸基数据中心发送的控制命令和自主式水下航行器航路点信息。所述舰载GPS导航模块，用于接受GPS卫星发送的信号，获取定位数据帧并通过串口发送到舰载终端控制器，由舰载终端控制器负责对GPS定位数据的解析。所述舰载终端控制器，用于对定位信息进行处理和协议解析，并负责定为数据的打包，并经舰载北斗导航模块和舰载GPRS数据传输模块发送给岸基数据服务中心。
进一步的，所述的舰载终端上还设有与所述舰载终端控制器连接的加速度传感器。所述加速度传感器用于获取载体的3轴加速度信息，并将该信息发送至舰载终端控制器，由舰载终端控制器基于载体的系统运动方程融合各传感器的导航数据计算载体的位置、速度和3轴加速度信息。
又进一步的，所述的岸基数据服务中心还包括与所述的数据服务器连接的WEB服务器。通过设置WEB服务器，将物联网技术引入多自主式水下航行器编队导航中,改变了传统的主式水下航行器编队导航无法进行网络实时监控的缺点,在岸基数据服务中心上架设WEB服务器并设置用户权限认证机制，使授权用户能够在任何地方通过浏览器上网掌握主式水下航行器编队的运动信息。
优选的，所述的舰载终端控制器为基于ARM9的中央控制器。
所述的舰载终端控制器还连接有显示单元。舰载终端控制器将定位信息发送至，显示单元为当前定位信息，包括经纬度、高程、航向、航速、以及岸基数据服务中心的控制指令和航路点信息进行显示。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的自主式水下航行器编队导航系统，综合了北斗卫星、GPS、加速度传感器、GPRS通信等导航定位模块的功能，实现功能的互为备份，提高了定位精度，优势互补；利用北斗卫星和GPRS无线通信模块与岸基数据控制中心进行交互通信，实现对多自主式水下航行器编队的实时网络监控，实现上浮、下潜控制命令和自主式水下航行器编队新航路点信息的下发；通过WEB和数据库的使用，实现对WEB用户访问的授权；提供人机界面，供用户输入控制信息和实时显示到导航定位信息。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的自主式水下航行器编队导航系统的实施例一中的舰载终端结构示意图；
图2是本实用新型所提出的自主式水下航行器编队导航系统的实施例一中的岸基数据服务中心结构示意图；
图3是本实用新型所提出的自主式水下航行器编队导航系统的实施例一中的虚拟-主从结构的自主式水下航行器编队分簇图。
具体实施方式
为解决海洋采样过程中自主式水下航行器编队的定位和通信问题，本实用新型提供一种适用于海洋采样网络的多自主式水下航行器编队的综合导航系统，包括舰载终端和岸基数据服务中心，所述舰载终端包括舰载终端控制器，以及还设置有舰载北斗导航模块和舰载GPS导航模块、分别用于与北斗卫星和GPS卫星进行通信，实现舰载终端定位及其他数据传输，所述岸基数据服务中心包括数据服务器，以及分别与所述数据服务器连接的岸基北斗导航模块、岸基GPRS数据传输模块，舰载终端与岸基数据服务中心可以通过北斗卫星和GPRS移动通信进行数据交互。
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
实施例一，参见图1、图2所示，本实施例的自主式水下航行器编队导航系统，包括舰载终端和岸基数据服务中心，所述舰载终端包括舰载终端控制器，以及舰载北斗导航模块、舰载GPS导航模块、舰载GPRS数据传输模块，所述的舰载北斗导航模块、舰载GPS导航模块、和舰载GPRS数据传输模块分别与所述舰载终端控制器连接，舰载GPS导航模块用于与GPS卫星通信，所述岸基数据服务中心包括数据服务器，以及分别与所述数据服务器连接的岸基北斗导航模块、岸基GPRS数据传输模块，同样的，所述岸基北斗导航模块用于与北斗卫星通信，所述岸基GPRS数据传输模块用于进行GPRS无线网络通信。
在本实施例中，舰载北斗导航模块用于与北斗通信卫星进行信息交互，舰载终端控制器通过其向北斗卫星发送定位请求及其他相关信息，以及接受北斗卫星发送的定位信息及其他的导航信息；舰载终端可以通过北斗卫星和GPRS通信网络与岸上数据中心进行双向通信，与岸基数据服务中心进行通信交互，接受岸基数据中心发送的控制命令和自主式水下航行器编队航路点信息。所述舰载GPS导航模块，用于接受GPS卫星发送的信号，获取定位数据帧并通过串口发送到舰载终端控制器，由舰载终端控制器负责对GPS定位数据的解析。所述舰载终端控制器，用于对定位信息进行处理和协议解析，并负责定为数据的打包，并经舰载北斗导航模块和舰载GPRS数据传输模块发送给岸基数据服务中心。本实施例的舰载终端可以同时通过北斗卫星和GPS卫星进行定位，提高了定位精度，以及可以同时采用北斗卫星和GPRS通信网络与岸基数据中心进行通信，增强了通信网络的覆盖力，所述的舰载终端控制器为基于ARM9的中央控制器。
参见图3所示，前面叙述中已经提到，舰载终端利用双向通信模块实现对岸上控制命令的下发和自主式水下航行器运动状态的获取；将空间分布的自主式水下航行器编队划分为若干个簇，并根据分簇策略动态计算该簇的性能。在每个簇中设置一个通信和检测能力强的自主式水下航行器作为该簇的簇首（Leader），各簇Leader间的编队控制采用虚拟结构(Virtual Structure)。各簇内的局部跟踪问题，以各簇Leader的路径轨迹作为跟踪的期望参考路径，实现对Follower跟踪Leader的编队控制。虚拟-主从递阶控制结构解决了传统Virtual Structure无法实现灵活编队的问题，在一定程度上减少了多自主式水下航行器编队间的通信量。利用分布式有限时间跟踪控制策略实现对自主式水下航行器编队的有限航迹控制。
所述的舰载终端上还设有与所述舰载终端控制器连接的加速度传感器，可以进行惯性导航，所述加速度传感器用于获取载体的3轴加速度信息，并将该信息发送至舰载终端控制器，由舰载终端控制器基于载体的系统运动方程融合各传感器的导航数据计算载体的位置、速度和3轴加速度信息。由于载体运动方程的强非线性，组合导航算法使用Sigma点采样策略的Unscented Kalman Filter(UKF)算法，实现多个导航模块信息的融合和载体运动状态的实时确定，抑制滤波的发散问题。
岸基数据服务中心负责完成对北斗卫星或GPRS信息的接收，根据接收信息中的不同北斗终端号或者GPRS的SIM卡号，利用SQL SERVER2005数据库进行不同的舰载终端信息的分类存储。
所述的岸基数据服务中心还包括与所述的数据服务器连接的WEB服务器。通过设置WEB服务器，将物联网技术引入多自主式水下航行器编队导航中,改变了传统的主式水下航行器编队导航无法进行网络实时监控的缺点,在岸基数据服务中心上架设WEB服务器并设置用户权限认证机制，使授权用户能够在任何地方通过浏览器上网掌握主式水下航行器编队的运动信息。WEB服务器的WEB页面实现对多个自主式水下航行器编队位置和姿态信息的显示和查询，并利用电子海图实现对多个自主式水下航行器编队位置信息的动态显示，从而可以掌握多个自主式水下航行器编队的动态位置信息，并通过北斗或GPRS通信终端实现上浮、下潜控制命令和自主式水下航行器编队新航路点的下发。自主式水下航行器依据接收到的新航路点和当前位置和姿态信息生成期望运动轨迹并实现对期望运动轨迹的有限时间轨迹跟踪控制。此外，本实施例还可以通过引入物联网技术,改变了传统的自主式水下航行器编队导航无法进行网络实时监控的缺点,在岸上数据服务中心上架设WEB服务器并设置用户权限认证机制，使授权用户能够在任何地方通过浏览器上网掌握自主式水下航行器的运动信息；利用分布式有限时间跟踪控制策略实现对自主式水下航行器编队的有限航迹控制。
所述的舰载终端控制器还连接有显示单元。舰载终端控制器将定位信息发送至，显示单元为当前定位信息，包括经纬度、高程、航向、航速、以及岸基数据服务中心的控制指令和航路点信息进行显示。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种自主式水下航行器编队导航系统，其特征在于：包括舰载终端和岸基数据服务中心，所述舰载终端包括舰载终端控制器，以及分别与所述舰载终端控制器连接的用于与北斗卫星通信的舰载北斗导航模块、用于与GPS卫星通信的舰载GPS导航模块、舰载GPRS数据传输模块，所述岸基数据服务中心包括数据服务器，以及分别与所述数据服务器连接的岸基北斗导航模块、岸基GPRS数据传输模块。
2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于：所述的舰载终端上还设有与所述舰载终端控制器连接的加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于：所述的岸基数据服务中心还包括与所述的数据服务器连接的WEB服务器。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的导航系统，其特征在于：所述的舰载终端控制器为基于ARM9的中央控制器。
5.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的导航系统，其特征在于：所述的舰载终端控制器还连接有显示单元。
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