一種基於海流剖面的uuv輔助導航方法

2023-05-27 04:20:11 2

專利名稱：一種基於海流剖面的uuv輔助導航方法
技術領域：
本發明涉及的是一種UUV導航方法，尤其涉及一種基於UUV搭載的DVL聲納數據失效情況下海流剖面輔助導航方法。
背景技術：
隨著水下無人航行器UUV (Unmanned Underwater Vehicle)在海洋開發中的應用越來越廣泛，對UUV導航系統的精度要求也越來越高。傳統航位推算法是UUV中目前最常用的導航方法之一，這種方法依賴於都卜勒測速儀(DVL)採集的速度數據和姿態傳感器採集的姿態數據。但是，當UUV在轉彎、海水較深超過DVL底跟蹤的最大範圍等情況下可能發生失效，DVL —旦失效或者由於性能下降導致UUV的實時速度無法獲得，只能採用DVL失效前幾拍的速度信息，而UUV的速度在複雜海洋環境下是實時變化的，從而對UUV的導航產生較大的影響，推算的UUV位置信息偏差會越來越大。因此在DVL失效時，尋求一種能夠有效避免因速度傳感器失效或者故障導致航位推算產生較大導航誤差的問題，就顯得尤為迫切。目前，國內外試圖尋求一種有效的在UUV測速傳感器失效情況下能夠輔助UUV導航的手段。如莫軍在文獻《基於海流資料庫的水下導航信息融合方法探討》(系統仿真學報，2002年，第14卷第10期)中提出了基於海流資料庫的水下導航信息融合方法，該方法需要大量的工作海域的海流信息，工作量大，難以推廣。2009年，中國海軍工程大學的吳太旗等人在文獻《重力場輔助水下導航仿真及分析平臺的構建》(艦船科學技術，2009年，第 31卷第2期)中提出了利用重力場進行水下無人航行器輔助導航的方法，該方法需要增加重力傳感器、重力基準圖數據等軟硬體，增加了 UUV系統的複雜性。2007年，挪威0yvind Hegrenffis《Comparison of Mathematical Models for the HUGIN 4500 AUV Based on Experimental Data)) (International Symposium on Underwater Technology) 中提出了利用UUV動力學模型進行輔助導航的方法，而UUV動力學模型涉及的參數較多，難以準確確定UUV的動力學模型，從而無法保證導航的精度。

發明內容
本發明的目的在於提供一種當UUV搭載的DVL (都卜勒測速儀，Doppler Velocity Log)失效時能夠利用ADCP(聲學都卜勒海流剖面儀，Acoustic Doppler Current Profile) 測得的海流剖面數據進行輔助自身導航的於海流剖面的UUV輔助導航方法。本發明的目的是這樣實現的包括下列步驟(1)海流剖面數據和DVL速度獲取利用UUV攜帶的控制計算機控制ADCP發射一定頻率的聲波，利用都卜勒效應獲取下部緊貼UUV水層厚度的海流剖面；利用UUV攜帶的控制計算機控制DVL發射一定頻率的聲波，利用都卜勒效應獲取 DVL的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman濾波
根據海流環境以及UUV自身模型的特點，建立海流剖面數據Kalman濾波數據模 型；並參照海流高頻殘差的數量級確定海流Kalman濾波數據模型中的觀測噪聲方差R，同 時根據DVL測得的UUV速度信息動態調節過程噪聲方差Q值的大小；(3) 「UUV速度-海流信息」關係庫建立當DVL導航聲納數據有效時，利用DVL測得的UUV速度、OCTANS姿態傳感器測量 得到的UUV的航向信息，ADCP測量得到的海流剖面數據，建立「UUV速度-海流信息」關係 庫；(4)海流剖面輔助導航當DVL導航聲納數據失效時，利用「UUV速度-海流信息」關係庫，以及ADCP聲納 實時測得的海流剖面信息，推算UUV的導航速度；再根據初始UUV的經糹韋度和船位推算算法 得到推算UUV的位置信息。所述UUV的位置信息的獲取方法為推算的UUV導航速度在正東方向和正北方向的分量如下式
權利要求
1.一種基於海流剖面的UUV輔助導航方法，其特徵是包括下列步驟(1)海流剖面數據和DVL速度獲取利用UUV攜帶的控制計算機控制ADCP發射一定頻率的聲波，利用都卜勒效應獲取下部緊貼UUV水層厚度的海流剖面；利用UUV攜帶的控制計算機控制DVL發射一定頻率的聲波，利用都卜勒效應獲取DVL 的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman濾波根據海流環境以及UUV自身模型的特點，建立海流剖面數據Kalman濾波數據模型；並參照海流高頻殘差的數量級確定海流Kalman濾波數據模型中的觀測噪聲方差R，同時根據 DVL測得的UUV速度信息動態調節過程噪聲方差Q值的大小；(3)「UUV速度-海流信息」關係庫建立當DVL導航聲納數據有效時，利用DVL測得的UUV速度、OCTANS姿態傳感器測量得到的UUV的航向信息，ADCP測量得到的海流剖面數據，建立「UUV速度-海流信息」關係庫；(4)海流剖面輔助導航當DVL導航聲納數據失效時，利用「UUV速度-海流信息」關係庫，以及ADCP聲納實時測得的海流剖面信息，推算UUV的導航速度；再根據初始UUV的經緯度和船位推算算法得到推算UUV的位置信息。
2.根據權利要求1所述的一種基於海流剖面的UUV輔助導航方法，其特徵是所述UUV 的位置信息的獲取方法為推算的UUV導航速度在正東方向和正北方向的分量如下式 \vE = vF sin H -vlcosH [vw = vp cosH +vL sin H式中VE、VN——分別為載體航行速度在正東方向和正北方向的分量； VF> Vl——分別為DVL測得的載體相對大地的前向速度和左向速度； H——UUV載體的航向角，順時針為正，逆時針為負，由羅經測得； UUV位置由下面的公式計算得到ηJ = J0+T^vEX1-VAt 1rMX1-DZ=IW0——分別為初始時刻載體的經度和緯度，由GPS接收機測得；νΕ, α-^ν,^——分別為i-Ι時刻UUV航行速度在正東方向和正北方向的分量；R , U-D^Rn, (i-D—分別為i-1時刻地球子午曲率半徑和緯度圈曲率半徑。
全文摘要
本發明提供的是一種基於海流剖面的UUV輔助導航方法。首先建立海流剖面數據Kalman濾波模型，然後根據環境的變化以及UUV自身速度的變化，確定Kalman方程中的觀測噪聲方差R和過程噪聲方差Q，最後建立「UUV速度-海流剖面」關係資料庫，利用該關係庫以及ADCP測得的海流剖面信息，推算DVL失效時的UUV速度，進而通過船位推算方法得到UUV的導航位置。本發明的有益效果在於UUV在水下執行任務時，一旦DVL聲納數據失效，可以使用ADCP海流剖面信息推算UUV速度，使得UUV在大深度等複雜海洋環境下可以繼續執行海洋勘探任務，提高UUV的環境適應能力。
文檔編號G01S15/58GK102323586SQ20111019674
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者周佳加, 張偉, 張勳, 張宏瀚, 徐健, 李舉峰, 邊信黔, 陳濤 申請人:哈爾濱工程大學