Lbl/mins組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航信息融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于水下洞穴、山脈及其它有水聲波信號(hào)遮擋的復(fù)雜水下環(huán)境中的長(zhǎng)距離、高精度目標(biāo)定位跟蹤技術(shù)，具體指一種LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航信息融合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，對(duì)海洋領(lǐng)域的開發(fā)和軍事需求推動(dòng)了水下高精度定位技術(shù)的發(fā)展，這種需求在未來將逐漸變得更加迫切。在現(xiàn)有的水下定位方式中，長(zhǎng)基線水下水聲定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)是最常用的兩種方式。其中，水下水聲定位技術(shù)在工業(yè)等民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而慣性導(dǎo)航技術(shù)在軍事領(lǐng)域被大量應(yīng)用。雖然長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL能夠提供精度持續(xù)、穩(wěn)定的位置信息，但是其易受各種海洋噪聲干擾、遮擋等外界環(huán)境影響，且其定位范圍有限，限制了其應(yīng)用范圍；尤其是在水下存在洞穴、山脈等遮擋的復(fù)雜環(huán)境，水聲波測(cè)距信號(hào)被嚴(yán)重遮擋，定位系統(tǒng)精度會(huì)大幅度降低，甚至無法正常定位。微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS具有自主導(dǎo)航、定位信息全面、定位頻率高、短時(shí)定位精度高及抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，但是其定位誤差會(huì)隨時(shí)間而快速積累，在長(zhǎng)航運(yùn)行的條件下，導(dǎo)航精度會(huì)嚴(yán)重下降到一個(gè)無法接受的程度。為了克服MINS或LBL各自的固有缺點(diǎn)，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，有學(xué)者將上述兩種導(dǎo)航方式融合在一起，形成了 LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)雖然可以提高系統(tǒng)的性能，并在某些情況利用MINS對(duì)LBL進(jìn)行輔助和補(bǔ)償，但是由于MINS的定位誤差會(huì)隨時(shí)間而快速累積，因此這種輔助和補(bǔ)償只能在短期內(nèi)有效，一旦組合導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于LBL無法工作的狀態(tài)，定位精度依然迅速下降到無法接受的程度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明提出了一種LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航信息融合方法，解決了在存在山脈、洞穴等水聲定位信號(hào)遮擋的復(fù)雜水下環(huán)境中，LBL系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無法工作時(shí)MINS系統(tǒng)定位誤差大的技術(shù)問題，有效保證了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。
[0004]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的:
一種LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL和微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS，兩系統(tǒng)之間通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器將系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，輸出最優(yōu)的導(dǎo)航定位結(jié)果；同時(shí)，擴(kuò)展卡爾曼濾波器將其輸出的定位誤差信息分別反饋給所述兩系統(tǒng)的定位誤差模型，用于修正兩系統(tǒng)的定位誤差模型。
[0005]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作區(qū)域劃分為L(zhǎng)BL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域和MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域兩部分，LBL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)為搭建有LBL定位基站且無水聲定位信號(hào)遮擋的區(qū)域，MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域?yàn)榇嬖谒暥ㄎ恍盘?hào)遮擋，且只能依靠微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS進(jìn)行定位的區(qū)域。
[0006]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出的定位誤差信息通過最小二乘支持向量機(jī)對(duì)微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS的定位誤差模型進(jìn)行修正。
[0007]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，所述擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出的定位誤差信息用于修正長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL或微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS的定位誤差模型中的位置、速度誤差。
[0008]所述LBL/MINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合方法，具體包括以下步驟:
(1)將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作區(qū)域劃分為L(zhǎng)BL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域和MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域兩部分；
(2)在LBL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域，為搭建有LBL定位基站且無水聲定位信號(hào)遮擋的區(qū)域，由長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL和微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS共同工作完成導(dǎo)航定位。首先，利用長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL對(duì)水下定位目標(biāo)進(jìn)行水聲定位得到LBL定位信息；微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS實(shí)時(shí)提供定位目標(biāo)連續(xù)的位置、速度及姿態(tài)信息，并發(fā)送給擴(kuò)展卡爾曼濾波器；然后，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器將LBL定位信息與MINS定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，輸出最優(yōu)的LBL/MINS組合導(dǎo)航定位結(jié)果；
(3)在擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的同時(shí)，將其輸出的定位誤差信息分別反饋給長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL和微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS的定位誤差模型，用于修正兩系統(tǒng)定位誤差模型的位置、速度誤差；
(4)在MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域，即當(dāng)水下定位目標(biāo)運(yùn)動(dòng)到存在水聲定位信號(hào)遮擋的環(huán)境中時(shí)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域，由于組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL無法接收到水聲波定位信號(hào)，只能依靠微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS完成這一區(qū)域的自主導(dǎo)航；期間，利用在LBL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域?qū)ξT性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS修正后的定位誤差模型對(duì)MINS定位結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償，從而得到最優(yōu)的導(dǎo)航定位結(jié)果，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜水下環(huán)境的高精度無盲區(qū)導(dǎo)航。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)化方案，上述步驟(3)中，擴(kuò)展卡爾曼濾波器輸出的定位誤差信息通過最小二乘支持向量機(jī)對(duì)微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS的定位誤差模型進(jìn)行修正。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
1、利用長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL獲取定位目標(biāo)的精確位置，與微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS得到的導(dǎo)航信息通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到的導(dǎo)航信息比上述任何單一導(dǎo)航方法得到的信息精度更高；
2、利用在LBL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域?qū)INS系統(tǒng)的定位誤差模型進(jìn)行修正后，在MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域中通過該修正后的定位誤差模型對(duì)MINS定位結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償，得到最優(yōu)的導(dǎo)航定位結(jié)果，克服了因LBL系統(tǒng)無法工作而MINS系統(tǒng)定位誤差大，無法保證定位導(dǎo)航精度的問題；適用于海底洞穴、山脈等存在水聲測(cè)距信號(hào)遮擋的復(fù)雜環(huán)境、長(zhǎng)距離、高精度的目標(biāo)定位跟蹤。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明中無水聲信號(hào)遮擋區(qū)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，
圖2為本發(fā)明中存在水聲信號(hào)遮擋區(qū)域的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，
圖3為本發(fā)明中無水聲信號(hào)遮擋區(qū)域的組合導(dǎo)航模型，
圖4為本發(fā)明中存在水聲信號(hào)遮擋區(qū)域的組合導(dǎo)航模型；
圖5為定位目標(biāo)收發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中浮體，2-水聲應(yīng)答器，3-高速數(shù)傳電臺(tái)，4-RTK系統(tǒng)，5-定位目標(biāo)收發(fā)器，6-耐壓防水艙體，7-水聲換能器，8-水壓深度計(jì)、9-微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，10-位置結(jié)算模塊，11遮擋。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明及其效果作進(jìn)一步闡述。
[0013]如圖1 所不，一種 LBL/MINS (Long Base Line/ MEMS Inertial Navigat1nSystem)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，屬于復(fù)雜水下環(huán)境組合定位技術(shù)領(lǐng)域，該方法搭建浮標(biāo)式長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)和微慣性慣導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)，并將兩個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，以達(dá)到在復(fù)雜水下環(huán)境中進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航的目的。包括長(zhǎng)基線水下水聲定位系統(tǒng)LBL和微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)MINS，即LBL系統(tǒng)和MINS系統(tǒng)；兩系統(tǒng)之間通過擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)將系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，輸出最優(yōu)的導(dǎo)航定位結(jié)果，此處所述“最優(yōu)的導(dǎo)航定位結(jié)果”，是最優(yōu)估計(jì)理論的術(shù)語(yǔ)，指的是在一定的估計(jì)準(zhǔn)則下的“最優(yōu)”，是唯一、可確定的。同時(shí)，擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)將其輸出的定位誤差信息分別反饋給LBL和MINS系統(tǒng)的定位誤差模型，用于修正兩系統(tǒng)的定位誤差模型。其中，EKF輸出的定位誤差信息通過最小二乘支持向量機(jī) LS-SVM (Least Squares Support Vector Machines)對(duì)微慣性導(dǎo)航系統(tǒng) MINS的誤差模型進(jìn)行修正；用于修正MINS系統(tǒng)預(yù)估的位置、速度誤差。且EKF輸出的定位誤差信息用于修正LBL和MINS系統(tǒng)誤差模型中的位置、速度誤差。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作區(qū)域劃分為L(zhǎng)BL導(dǎo)航培訓(xùn)區(qū)域(LBLTA)和MINS導(dǎo)航自適應(yīng)補(bǔ)償區(qū)域(MINSAA)兩部分，LB