一種水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航信息融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)及導(dǎo)航 信息融合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水下導(dǎo)航定位是海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)和海洋高技術(shù)發(fā)展的基本前提，海洋開(kāi)發(fā)需要獲取 大范圍、高精度的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行海底勘探、水下測(cè)量及水下工程等，現(xiàn)代海戰(zhàn)也 逐漸發(fā)展成為涉及太空、天空、陸地、海面、水下及海底多層空間的立體戰(zhàn)爭(zhēng)，所有這些都需 要有海面與水下導(dǎo)航定位的支撐。
[0003] 導(dǎo)航技術(shù)是水下潛器所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。導(dǎo)航系統(tǒng)必須提供遠(yuǎn)距離及長(zhǎng)時(shí)間 的高度位置、速度和姿態(tài)信息。精確導(dǎo)航技術(shù)是水下潛器有效作業(yè)和安全回收的關(guān)鍵，但是 受水下環(huán)境的復(fù)雜性、潛器自身體積、重量、能源以及隱蔽性等因素的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的 水下潛器導(dǎo)航仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由于電磁波在水中衰減大，不能夠遠(yuǎn)程傳播，因而陸 地上一些成熟的導(dǎo)航方法在水下并不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種水下航行器組合導(dǎo) 航系統(tǒng)及導(dǎo)航信息融合方法，克服了陸地導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在水下的缺陷，滿(mǎn)足水下航行器高 精度、高隱蔽性的需求。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置、長(zhǎng)基線定位裝置、測(cè)深測(cè) 潛儀以及信息融合模塊，所述長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)包括一個(gè)接收器以及設(shè)置在水下不同位置的 多個(gè)應(yīng)答器陣列，所述捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置測(cè)量航行器的位置、速度、航向姿態(tài)信號(hào)并傳送給 信息融合模塊，所述接收器根據(jù)各應(yīng)答器陣列的位置信息測(cè)量出航行器的位置信息，并傳 送給信息融合模塊，所述測(cè)深測(cè)潛儀測(cè)量航行器的高度信息并傳送給信息融合模塊，所述 信息融合模塊將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置、長(zhǎng)基線定位裝置和測(cè)深測(cè)潛儀測(cè)量的信息進(jìn)行融合， 輸出航行器導(dǎo)航信息，并用輸出的導(dǎo)航信息校正捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置。
[0007] 基于上述技術(shù)方案的一種優(yōu)選方案，一個(gè)應(yīng)答器陣列包括3個(gè)應(yīng)答器，這3個(gè)應(yīng)答 器構(gòu)成等邊三角形。
[0008] 基于上述技術(shù)方案的一種優(yōu)選方案，3個(gè)應(yīng)答器構(gòu)成邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的等邊三角形，且邊 長(zhǎng)L=^h，其中，h為水下航行器與該應(yīng)答器陣列中心的深度差。
[0009] 基于上述技術(shù)方案的一種優(yōu)選方案，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置包括三軸加速度計(jì)、三軸 陀螺儀、信號(hào)調(diào)理電路和微處理器，所述三軸陀螺儀采集航行器的角度信息并傳送給微處 理器，所述三軸加速度計(jì)采集航行器的加速度信息，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后傳送給微處 理器，微處理器根據(jù)接收到的加速度和角度信息，得到航行器的位置、速度、航向姿態(tài)信息， 并傳送給信息融合模塊。
[0010]基于上述技術(shù)方案的一種優(yōu)選方案，信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的濾波電路、放 大電路和AD轉(zhuǎn)換器，從而對(duì)三軸加速度計(jì)輸出的信息依次進(jìn)行濾波、放大和AD轉(zhuǎn)化處理。 [0011]本發(fā)明還包括一種應(yīng)用于上述組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合方法，該方法包括捷 聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置與長(zhǎng)基線定位裝置的信息融合以及利用長(zhǎng)基線定位裝置對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 裝置進(jìn)行校正，具體步驟如下：
[0012] (1)列出捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的失準(zhǔn)角誤差方程、速度誤差方程以及位置誤差方程；
[0013] (2)根據(jù)水下航行器與各應(yīng)答器陣列之間的距離，利用球面交匯方法，得到定位方 程：
[0014] | |xG-xTi | |=ri(i = i，2，"，N)
[0015] 其中，N為應(yīng)答器陣列總數(shù)，i表示第i個(gè)應(yīng)答器陣列，XC為待求解的航行器位置坐 標(biāo)，Xn為錨定于水底的第i個(gè)應(yīng)答器陣列的位置坐標(biāo)，η為航行器與第i個(gè)應(yīng)答器陣列之間 的距離；
[0016] (3)根據(jù)步驟（1)列出的失準(zhǔn)角誤差方程、速度誤差方程以及位置誤差方程以及三 軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)的常值漂移，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程；
[0017] (4)將長(zhǎng)基線定位裝置測(cè)出的位置信息與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置信息作 差，作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)值，構(gòu)造誤差方程；
[0018] (5)利用卡爾曼濾波算法得到捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差狀態(tài)的全局最優(yōu)估計(jì)后，對(duì) 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行誤差校正。
[0019]采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：
[0020] 本發(fā)明針對(duì)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)以及長(zhǎng)時(shí)間航行后發(fā)射子系統(tǒng)之 前重新進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合捷聯(lián)慣性導(dǎo)航、長(zhǎng)基線定位可以給出精確的航向角、 經(jīng)煒度信息的優(yōu)勢(shì)，對(duì)水下航行器組合導(dǎo)航進(jìn)行改進(jìn)，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的隱蔽性以及 長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航精度。本發(fā)明根據(jù)長(zhǎng)基線定位信息對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的時(shí)間積累誤差進(jìn)行校正， 且由于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在垂直方向的可觀測(cè)度低，垂直方向高度信息輸出不穩(wěn)定，所以 利用測(cè)深測(cè)潛儀提供航行器垂直方向的高度信息。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明中捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]如圖1所示本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖，包括捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置、長(zhǎng)基線定位裝置、測(cè) 深測(cè)潛儀以及信息融合模塊，所述長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)包括一個(gè)接收器以及設(shè)置在水下不同位 置的多個(gè)應(yīng)答器陣列，所述捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置測(cè)量航行器的位置、速度、航向姿態(tài)信號(hào)并傳 送給信息融合模塊，所述接收器根據(jù)各應(yīng)答器陣列的位置信息測(cè)量出航行器的位置信息， 并傳送給信息融合模塊，所述測(cè)深測(cè)潛儀測(cè)量航行器的高度信息并傳送給信息融合模塊， 所述信息融合模塊將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置、長(zhǎng)基線定位裝置和測(cè)深測(cè)潛儀測(cè)量的信息進(jìn)行融 合，輸出航行器導(dǎo)航信息，并用輸出的導(dǎo)航信息校正捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置。
[0025]在本實(shí)施例中，長(zhǎng)基線定位裝置采用球面交匯方法實(shí)現(xiàn)定位，每個(gè)應(yīng)答器陣列包 括3個(gè)應(yīng)答器，這3個(gè)應(yīng)答器構(gòu)成邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的等邊三角形，且邊長(zhǎng)L=^h,其中，h為水下航行 器與該應(yīng)答器陣列中心的深度差。
[0026]在本實(shí)施例中，如圖2所示，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、信 號(hào)調(diào)理電路和微處理器，所述三軸陀螺儀采集航行器的角度信息并傳送給微處理器，所述 三軸加速度計(jì)采集航行器的加速度信息，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后傳送給微處理器，微處 理器根據(jù)接收到的加速度和角度信息，得到航行器的位置、速度、航向姿態(tài)信息，并傳送給 信息融合模塊。其中，信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的濾波電路、放大電路和AD轉(zhuǎn)換器，從而 對(duì)三軸加速度計(jì)輸出的信息依次進(jìn)行濾波、放大和AD轉(zhuǎn)化處理。
[0027] 本發(fā)明還包括一種應(yīng)用于上述組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息融合方法，該方法包括捷 聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置與長(zhǎng)基線定位裝置的信息融合以及利用長(zhǎng)基線定位裝置對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航 裝置進(jìn)行校正，具體步驟如下：
[0028] 首先，列出捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的失準(zhǔn)角誤差方程、速度誤差方程以及位置誤差方 程：
[0029] f + δω? ~ (ft) * + ωζη ) χ φη ~ ερ
[0030] δνη = Γ Xφπ +Ψ'-{Ιδω^+δω?ν)χ Vn ~(2mie + ωα])χ5V" .6V - SK ν
[00311 SL ---- δλ - -see Δ -l· - see L tan L6L R、 R, R,
[0032] 其中，A、L分別為坐標(biāo)系中的經(jīng)度和煒度;VE為東向速度;Vn為北向速度；#是導(dǎo)航 坐標(biāo)系中姿態(tài)角誤差是地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的投 影是導(dǎo)航坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的投影； ε是陀螺儀常值 漂移誤差;Γ是三維加速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的投影;▽是加速度計(jì)常值漂移誤差;Rn是北向 地球半徑;Re是東向地球半徑。
[0033] 在長(zhǎng)基線定位中，假設(shè)應(yīng)答器陣列位置坐標(biāo)為(x，y，z)，水下航行器在N個(gè)測(cè)量點(diǎn) 接收到應(yīng)答器信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)向。各測(cè)量點(diǎn)利用導(dǎo)航系統(tǒng)和深度傳感器測(cè)得打底坐標(biāo) 為(x〇i，yQi，ZQi) (i = l，2, "·Ν)。若以第^^點(diǎn)位置為參考，可以得到相對(duì)位置(xi，yi，zi): γ -y* .-y·' Λ? 入 Μ
[0034] 乃=)? - JW _Zi_20ι： _
[0035] 這些點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)(Xl，yi，Zl)可以由航位推算或者慣導(dǎo)測(cè)得。由于是在局部 海域測(cè)量，累積誤差較小，測(cè)量精度較高。