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基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法

文檔序號:6240506閱讀:433來源:國知局
基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法的實現(xiàn)。該方法首先在海水中或者海底部署多個參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,節(jié)點之間通過水聲modem進(jìn)行通信。該方法利用位置已知的多個水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為參考節(jié)點,通過測定待測目標(biāo)與多個參考節(jié)點之間的距離,從而解算出水下航行器的位置信息,實現(xiàn)水下航行器的定位,然后利用計算所得的位置信息來修正水下航行器配置的捷聯(lián)慣導(dǎo)/多普勒測速導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,從而實現(xiàn)高精度的組合導(dǎo)航。本發(fā)明可以用來定時修正該導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,通過預(yù)先設(shè)定好修正周期,從而在保證水下航行器隱蔽性以及自主性的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)水下航行器的長時間高精度組合導(dǎo)航,具有較高的實際應(yīng)用價值。
【專利說明】基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于導(dǎo)航定位技術(shù),尤其是關(guān)于一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)以及導(dǎo)航定位方法。

【背景技術(shù)】
[0002]海洋可以說是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重要領(lǐng)域,對于海洋的利用以及開發(fā)已經(jīng)成為決定國家興衰的基本因素之一。在海洋的利用以及開發(fā)等領(lǐng)域中,由于無線電波在水下衰減比較嚴(yán)重,無法滿足水下通信的要求,從而以聲波為載體的水聲通信技術(shù)得到了極其廣泛的發(fā)展以及應(yīng)用。
[0003]近幾十年來,水下信息網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的一大分支,以水聲通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),在水聲技術(shù)的研究領(lǐng)域中進(jìn)入到全新的發(fā)展階段。水下信息網(wǎng)絡(luò),就是部署在水下環(huán)境中,以聲波作為信息載體、水聲信道作為通信信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),是陸地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)向水下應(yīng)用的延伸。在水下部署傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,一方面可以檢測水下環(huán)境,進(jìn)行水下信息的收集,另一方面可以把已知位置的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為參考節(jié)點,用來對該海域中的水下航行器等進(jìn)行定位,從而輔助水下航行器實現(xiàn)高精度導(dǎo)航。
[0004]要使水下航行器完成一些預(yù)定的任務(wù)以及使命,自然離不開水下導(dǎo)航技術(shù)。和陸地導(dǎo)航以及空中導(dǎo)航相比,水下導(dǎo)航具有工作時間長、隱蔽性要求高、環(huán)境復(fù)雜以及信息源少等特點,因此相對于陸地導(dǎo)航以及空中導(dǎo)航,水下導(dǎo)航的研究和應(yīng)用具有更大的難度。
[0005]目前,將水下信息網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)定位技術(shù)結(jié)合在一起,是水聲定位技術(shù)的新興研究方向。對檢測區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行定位是水下信息網(wǎng)絡(luò)眾多應(yīng)用的一個關(guān)鍵技術(shù),也是其他應(yīng)用的基礎(chǔ)。
[0006]本發(fā)明中,把多個已知位置信息的水下信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為參考節(jié)點,用來對該海域中的水下航行器進(jìn)行定位,并利用定位結(jié)果來定時修正水下航行器SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,從而實現(xiàn)水下航行器長時間的高精度自主導(dǎo)航。
[0007]利用水下信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來實現(xiàn)監(jiān)測海域的目標(biāo)定位,同時與水下航行器自身配置的SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合,從而修正SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,實現(xiàn)高精度的組合導(dǎo)航,這在水下導(dǎo)航定位研究中,有著長足的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種長時間的高精度自主組合導(dǎo)航方法,該方法能夠大大提高長時間航行的水下航行器的導(dǎo)航精度,并具有自主性。
[0009]本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0010]一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,包括如下步驟:
[0011]A,水下航行器在水下航行全程中通過自身裝配的SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)可以對水下航行器進(jìn)行短時間的高精度導(dǎo)航定位,但是隨著時間的推移,存在一定的累積誤差。對于長時間航行的水下航行器,SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)存在一定的導(dǎo)航偏差,需要定時引入其他定位系統(tǒng)進(jìn)行輔助導(dǎo)航定位,從而修正此導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航累積誤差,實現(xiàn)長時間的高精度自主導(dǎo)航。
[0012]其中,SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)原理為:
[0013]綜合SINS系統(tǒng)與DVL系統(tǒng)的誤差模型,建立SINS/DVL系統(tǒng)的狀態(tài)方程以及量測方程,利用卡爾曼濾波進(jìn)行該系統(tǒng)的最優(yōu)估計,從而實現(xiàn)SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航。
[0014]B,由于長時間航行之后,SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)存在一定的累積誤差,故需要定時對其進(jìn)行輔助定位,利用輔助定位結(jié)果修正導(dǎo)航累積誤差,定位過程如下:
[0015]水下航行器航行過程中,每隔一段時間,通過水下航行器上的測距平臺,與多個參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間完成通信測距,從而獲得時延差,算出距離信息,利用這多個距離信息,解算出水下航行器的位置信息,實現(xiàn)水下航行器的定位。
[0016]步驟B中的一種通信測距的方法,本發(fā)明中采用雙向通信測距的方法完成參考點與待測點之間的水聲測距,具體步驟為:
[0017]首先,待測點水聲modem產(chǎn)生由信息碼和同步頭信號組成的定位脈沖,經(jīng)調(diào)制后,向水下參考點(位置已知)發(fā)射此定位脈沖信號,此發(fā)送信號中包含發(fā)送時間tl,當(dāng)水下參考點收到該信號時,進(jìn)行同步解調(diào),并利用同步過程得到信號傳輸時延差τ?,并把τ?和收到的信號一起重新調(diào)制,變頻回發(fā)給待測節(jié)點作為應(yīng)答,此回發(fā)信號中還包含回發(fā)時間t3和參考點的深度信息,待測點換能器收到此回發(fā)信號時,再進(jìn)行同步解調(diào),得到此次的傳輸時延差τ 2,同時解調(diào)得到τ 1,在通信測距過程中,信號傳輸時延差τ 1、τ 2,通過LFM信號求相關(guān)檢測求得。
[0018]設(shè)信號發(fā)射端與接收端的時間誤差為Λ τ,發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的單向時延差為τ。由信號處理過程,可得如下時間關(guān)系:

【權(quán)利要求】
1.一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,其包括如下步驟: A,水下航行器在水下航行全程中通過自身裝配的捷聯(lián)慣導(dǎo)/多普勒測速SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行粗導(dǎo)航; B,定時對所述水下航行器進(jìn)行輔助定位,所述定位過程如下: 水下航行器航行過程中,每隔一段時間,通過水下航行器上的測距平臺,與多個參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間完成通信測距,從而獲得時延差,算出距離信息,利用這多個距離信息,解算出水下航行器的位置信息,實現(xiàn)水下航行器的定位; C,定時對水下航行器進(jìn)行定位運算,利用定位所得的位置信息來修正水下航行器配置的SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,從而實現(xiàn)高精度的組合導(dǎo)航。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,其特征在于: 所述步驟A中的SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)是綜合SINS系統(tǒng)與DVL系統(tǒng)的誤差模型,建立SINS/DVL系統(tǒng)的狀態(tài)方程以及量測方程,利用卡爾曼濾波進(jìn)行該系統(tǒng)的最優(yōu)估計,從而實現(xiàn)SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的粗導(dǎo)航。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,其特征在于: 所述步驟B中的通信測距的具體步驟包括: 待測點水聲modem產(chǎn)生由信息碼和同步頭信號組成的定位脈沖,經(jīng)調(diào)制后,向水下參考點發(fā)射此定位脈沖信號,其中所述水下參考點的位置已知,此發(fā)送信號中包含發(fā)送時間tl ; 當(dāng)水下參考點收到該信號時,進(jìn)行同步解調(diào),并利用同步過程得到信號傳輸時延差τ i,并把τ i和收到的信號一起重新調(diào)制,變頻回發(fā)給待測節(jié)點作為應(yīng)答,此回發(fā)信號中還包含回發(fā)時間t3和參考點的深度信息; 待測點換能器收到此回發(fā)信號時,再進(jìn)行同步解調(diào),得到此次的傳輸時延差τ2,同時解調(diào)得到τ i ; 在通信測距過程中,信號傳輸時延差H、τ2,通過LFM信號求相關(guān)檢測求得; 設(shè)信號發(fā)射端與接收端的時間誤差為△ τ,發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的單向時延差為τ,通過信號處理過程,可得如下時間關(guān)系:
由上式可得:
再將得到的時延差τ,乘以該水域的等效平均聲速,得到兩點之間的距離,完成測距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,其特征在于:所述步驟B中的定位過程,具體包括以下步驟: 假設(shè)有η個已知的參考點位置信息,其中n>3,參考點采用統(tǒng)一的時鐘系統(tǒng),故待測目標(biāo)與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的距離可以表示為:
(Ii = c τ j (3)
i = 1,2,…,η 其中,Cli表示待測目標(biāo)與第i個參考點之間的距離,c為聲波在水中的等效平均傳播速度,τ i為待測目標(biāo)與第i個參考點之間的時延差,通過雙向通信測距測得,又有:
(Ii2 = (X1-X)2+(Yry)i^(Z1-Z)2 (4) 其中,(Xi, Yi, Zi)為第i個參考點的坐標(biāo),為已知量,(x,y,z)為待測目標(biāo)的坐標(biāo),z坐標(biāo)值通過深度傳感器測得,將式(3)代入式(4)中,同時展開,得:
將式(5)括號展開后,并用式(5)中的后面η-l項分別減去第一項,整理之后,可以得到如下線性方程組:
整理,得如下表達(dá)式:
將其寫成矩陣形式: CX = D (8) 其中: X = [X y]T (9)

因為方程組CX = D中,C中的變量為已知信息,可以認(rèn)為不存在誤差擾動,而D中的時延差變量τ需要通過測量得到,存在誤差擾動,滿足最小二乘的前提條件,故可以利用最小二乘法,得到方程組的解為: X=(CtC)-1CtD (12) 通過以上公式,可以由一組實測時延差,以及參考點的位置信息,從而求得待測點的位置信息,實現(xiàn)定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的多參考節(jié)點水下航行器組合導(dǎo)航方法,其特征在于: 步驟C中定時修正SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,具體包括以下步驟: 利用SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航,長時間航行之后累積誤差增大,定時對水下航行器進(jìn)行定位運算,利用定位過程求得的待測點的位置信息對SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差進(jìn)行修正,從而實現(xiàn)高精度的自主組合導(dǎo)航。
【文檔編號】G01C21/18GK104197939SQ201410462889
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】高翔, 周云 申請人:東南大學(xué)
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