基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的單參考節(jié)點(diǎn)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)的單參考節(jié)點(diǎn)水下航行器組合導(dǎo)航方法的實(shí)現(xiàn)。該方法利用位置已知的水下單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，再利用水下航行器航行過程中通過通信測距獲取的一系列距離信息，同時結(jié)合水下航行器在每個通信測距時間間隔內(nèi)的運(yùn)行速度、位移、航向角等信息，來實(shí)現(xiàn)水下航行器的定位，然后利用定位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)（SINS/DVL）的累積誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度的組合導(dǎo)航。本發(fā)明可以用來定時修正SINS/DVL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(shí)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(shí)際應(yīng)用價值。
【專利說明】基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的單參考節(jié)點(diǎn)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)的單參考節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)，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，把已知位置信息的單個水下信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，同時結(jié)合水下航行器的航跡，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(shí)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(diǎn)來實(shí)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(shí)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(shí)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)的單參考節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)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]B-1，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，與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間完成通信測距，從而獲得時延差，算出距離信息，為待測點(diǎn)位置的求解提供充分的條件，提高定位精度。
[0016]B-2，結(jié)合水下航行器在每個通信測距時間間隔內(nèi)的運(yùn)行速度、位移、航向角等信息，來實(shí)現(xiàn)水下航行器的定位。
[0017]步驟B-1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(diǎn)與待測點(diǎn)之間的水聲測距，具體步驟為:
[0018]首先，待測點(diǎn)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(diǎn)(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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的深度信息，待測點(diǎn)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。
[0019]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(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)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)的單參考節(jié)點(diǎn)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，定位過程如下: B-1，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，與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間完成通信測距，從而獲得時延差，算出距離信息，為待測點(diǎn)位置的求解提供充分的條件，提聞定位精度； B-2，結(jié)合水下航行器在每個通信測距時間間隔內(nèi)的運(yùn)行速度、位移、航向角等信息，來實(shí)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(yùn)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(shí)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)的單參考節(jié)點(diǎn)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(shí)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)的單參考節(jié)點(diǎn)水下航行器組合導(dǎo)航方法，其特征在于: 步驟B-1中的所述通信測距具體包括以下步驟: 待測點(diǎn)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(diǎn)發(fā)射此定位脈沖信號，其中所述水下參考點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的深度信息； 待測點(diǎn)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(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)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:
由上式可得:



(2) I2 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(diǎn)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)的單參考節(jié)點(diǎn)水下航行器組合導(dǎo)航方法，其特征在于: 步驟B-2中的兩次通信測距時間間隔內(nèi)的航位推算，具體步驟為: 設(shè)V、s分別是水下航行器的航向角和oxy平面的位移,且Sj = nijCos θ」，ηι和Θ分別為水下航行器在三維坐標(biāo)系的位移和水下航行器的俯仰角，可以通過慣性導(dǎo)航儀器實(shí)時測量和計算得到； 則兩次通信測距時間將內(nèi)的位移可以表示為:
其中I《i《11，&和Fi可以由SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)解算得到，a1、bi分別為水下航行器i時刻與定位起始時刻相比，X軸方向的增量和I軸方向的增量。
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)的單參考節(jié)點(diǎn)水下航行器組合導(dǎo)航方法，其特征在于: 步驟B中的定位原理，具體步驟為: 首先，將水下航行器在第i次采樣時刻的位置建模為:IWA(4)
Iv1- = V0+^.其中，(x0, y0)為水下航行器的航行起始位置，(Xi, Yi)是水下航行器在第i次采樣時刻的位置； 第i次采樣時，水下航行器與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離Cli表示為:
其中，Zi通過深度傳感器實(shí)時測量得到。 將11、71用&、7。、％和匕表示，同時代入式(5)中，可以得到水下航行器與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離表示式為:
又可以表示為:
其中，Cli為某一時刻待測目標(biāo)和參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離，通過聲速和聲波信號傳播時間的乘積得到，(?,%)為水下航行器定位起始時刻二維坐標(biāo)值，水下航行器的深度值Zi通過深度傳感器測得，(xb, yb, zb)為參考水下信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，為已知量； 通過雙向通信測距，待測目標(biāo)與參考網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離可以表示為:
(Ii = c τ j (8)
i = 1，2，…，η 將式⑶代入式⑵中，得:
其中，(χ0, y0)為待求未知量，其余量為已知量； 對于基于雙向通信測距的定位系統(tǒng)，定位起始時刻，以及之后采樣時刻的定位模型表達(dá)式如下所示:
將上式括號展開后，并用式(10)中的I)式減去2)式，整理之后，可以得到如下線性方程組:

在方程組CX = D中，C中的變量通過慣導(dǎo)解算的軌跡推導(dǎo)得到，因?yàn)椴蓸佑嬎銜r間較短，可以認(rèn)為慣導(dǎo)具有足夠高的精度，即C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 (18) 通過以上公式，可以求得待測點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水下信息網(wǎng)絡(luò)的單參考節(jié)點(diǎn)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，具體步驟為: 利用SINS/DVL導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，定時對水下航行器進(jìn)行定位運(yùn)算，利用定位過程求得的待測點(diǎn)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(shí)現(xiàn)高精度的自主組合導(dǎo)航。
【文檔編號】G01S15/10GK104180804SQ201410462916
【公開日】2014年12月3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)