自主式水下航行器編隊導航系統的製作方法
2023-05-09 12:06:11
專利名稱：自主式水下航行器編隊導航系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種自主式水下航行器編隊導航系統，屬於導航通信技術領域。
背景技術：
水下導航定位是海洋開發活動與海洋高技術發展的基本前提，自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)在航行時必須配備精確的導航系統，以便於航行器的位置定位。衛星導航定位系統的發展使整個地球表面及地球的大部分外部空間實現全天候導航定位，慣性導航是自主式水下航行器最常用的導航方式，它利用AUV裝配的慣性導航器件，利用航位推算原理，基於系統運動方程推算AUV當前位置和下一步的狀態信息。慣性導航的優點是可以提供完全自主性和完備的導航信息，缺點是隨著航程的增加，定位精度會隨之下降，定位誤差隨航程的增長而無限制得增加，導致濾波器性能下降甚至濾波狀態的發散。引入外部信息可以限制慣性導航系統的固有漂移。目前普遍使用的是全球定位系統GPS。但GPS是由美國國防部控制的，對非美國國防部授權用戶，其所獲得的定位精度較低，且在戰場環境下並非總是可靠的。基於此，如何研發一種新的不依賴於GPS的高精度定位導航方法和導航系統，是本實用新型主要解決的問題。
發明內容本實用新型為了解決現有解決海洋採樣過程中自主式水下航行器編隊的定位不精準和通信問題，提供一種適用於海洋採樣網絡的多自主式水下航行器編隊的綜合導航系統，綜合了北鬥衛星、GPS、加速度傳感器、GPRS通信等導航定位模塊的功能，實現功能的互為備份，提高了定位精度，優勢互補；利用北鬥衛星和GPRS無線通信模塊與岸基數據控制中心進行交互通信，實現對多自主式水下航行器編隊的實時網絡監控。為了解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案予以實現一種自主式水下航行器編隊導航系統，包括艦載終端和岸基數據服務中心，所述艦載終端包括艦載終端控制器，以及分別與所述艦載終端控制器連接的用於與北鬥衛星通信的艦載北鬥導航模塊、用於與GPS衛星通信的艦載GPS導航模塊、艦載GPRS數據傳輸模塊，所述岸基數據服務中心包括數據伺服器，以及分別與所述數據伺服器連接的岸基北鬥導航模塊、岸基GPRS數據傳輸模塊。其中艦載北鬥導航模塊用於與北鬥通信衛星進行信息交互，艦載終端控制器通過其向北鬥衛星發送定位請求及其他相關信息，以及接受北鬥衛星發送的定位信息及其他的導航信息；並可以與岸上數據服務中心進行通信交互，接受岸基數據中心發送的控制命令和自主式水下航行器航路點信息。所述艦載GPS導航模塊，用於接受GPS衛星發送的信號，獲取定位數據幀並通過串口發送到艦載終端控制器，由艦載終端控制器負責對GPS定位數據的解析。所述艦載終端控制器，用於對定位信息進行處理和協議解析，並負責定為數據的打包，並經艦載北鬥導航模塊和艦載GPRS數據傳輸模塊發送給岸基數據服務中心。進一步的，所述的艦載終端上還設有與所述艦載終端控制器連接的加速度傳感器。所述加速度傳感器用於獲取載體的3軸加速度信息，並將該信息發送至艦載終端控制器，由艦載終端控制器基於載體的系統運動方程融合各傳感器的導航數據計算載體的位置、速度和3軸加速度信息。又進一步的，所述的岸基數據服務中心還包括與所述的數據伺服器連接的WEB伺服器。通過設置WEB伺服器，將物聯網技術引入多自主式水下航行器編隊導航中，改變了傳統的主式水下航行器編隊導航無法進行網絡實時監控的缺點，在岸基數據服務中心上架設WEB伺服器並設置用戶權限認證機制，使授權用戶能夠在任何地方通過瀏覽器上網掌
握主式水下航行器編隊的運動信息。優選的，所述的艦載終端控制器為基於ARM9的中央控制器。所述的艦載終端控制器還連接有顯示單元。艦載終端控制器將定位信息發送至，顯示單元為當前定位信息，包括經緯度、高程、航向、航速、以及岸基數據服務中心的控制指令和航路點信息進行顯示。與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果是本實用新型的自主式水下航行器編隊導航系統，綜合了北鬥衛星、GPS、加速度傳感器、GPRS通信等導航定位模塊的功能，實現功能的互為備份，提高了定位精度，優勢互補；利用北鬥衛星和GPRS無線通信模塊與岸基數據控制中心進行交互通信，實現對多自主式水下航行器編隊的實時網絡監控，實現上浮、下潛控制命令和自主式水下航行器編隊新航路點信息的下發；通過WEB和資料庫的使用，實現對WEB用戶訪問的授權；提供人機界面，供用戶輸入控制信息和實時顯示到導航定位信息。結合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述後，本實用新型的其他特點和優點將變得更加清楚。
圖I是本實用新型所提出的自主式水下航行器編隊導航系統的實施例一中的艦載終端結構示意圖；圖2是本實用新型所提出的自主式水下航行器編隊導航系統的實施例一中的岸基數據服務中心結構示意圖；圖3是本實用新型所提出的自主式水下航行器編隊導航系統的實施例一中的虛擬-主從結構的自主式水下航行器編隊分簇圖。
具體實施方式
為解決海洋採樣過程中自主式水下航行器編隊的定位和通信問題，本實用新型提供一種適用於海洋採樣網絡的多自主式水下航行器編隊的綜合導航系統，包括艦載終端和岸基數據服務中心，所述艦載終端包括艦載終端控制器，以及還設置有艦載北鬥導航模塊和艦載GPS導航模塊、分別用於與北鬥衛星和GPS衛星進行通信，實現艦載終端定位及其他數據傳輸，所述岸基數據服務中心包括數據伺服器，以及分別與所述數據伺服器連接的岸基北鬥導航模塊、岸基GPRS數據傳輸模塊，艦載終端與岸基數據服務中心可以通過北鬥衛星和GPRS移動通信進行數據交互。
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細地說明。實施例一，參見圖I、圖2所示，本實施例的自主式水下航行器編隊導航系統，包括艦載終端和岸基數據服務中心，所述艦載終端包括艦載終端控制器，以及艦載北鬥導航模塊、艦載GPS導航模塊、艦載GPRS數據傳輸模塊，所述的艦載北鬥導航模塊、艦載GPS導航模塊、和艦載GPRS數據傳輸模塊分別與所述艦載終端控制器連接，艦載GPS導航模塊用於與GPS衛星通信，所述岸基數據服務中心包括數據伺服器，以及分別與所述數據伺服器連接的岸基北鬥導航模塊、岸基GPRS數據傳輸模塊，同樣的，所述岸基北鬥導航模塊用於與北鬥衛星通信，所述岸基GPRS數據傳輸模塊用於進行GPRS無線網絡通信。在本實施例中，艦載北鬥導航模塊用於與北鬥通信衛星進行信息交互，艦載終端控制器通過其向北鬥衛星發送定位請求及其他相關信息，以及接受北鬥衛星發送的定位信息及其他的導航信息；艦載終端可以通過北鬥衛星和GPRS通信網絡與岸上數據中心進行雙向通信，與岸基數據服務中心進行通信交互，接受岸基數據中心發送的控制命令和自主式水下航行器編隊航路點信息。所述艦載GPS導航模塊，用於接受GPS衛星發送的信號，獲取定位數據幀並通過串口發送到艦載終端控制器，由艦載終端控制器負責對GPS定位數據的解析。所述艦載終端控制器，用於對定位信息進行處理和協議解析，並負責定為數據的打包，並經艦載北鬥導航模塊和艦載GPRS數據傳輸模塊發送給岸基數據服務中心。本實施例的艦載終端可以同時通過北鬥衛星和GPS衛星進行定位，提高了定位精度，以及可以同時採用北鬥衛星和GPRS通信網絡與岸基數據中心進行通信，增強了通信網絡的覆蓋力，所述的艦載終端控制器為基於ARM9的中央控制器。參見圖3所示，前面敘述中已經提到，艦載終端利用雙向通信模塊實現對岸上控制命令的下發和自主式水下航行器運動狀態的獲取；將空間分布的自主式水下航行器編隊劃分為若干個簇，並根據分簇策略動態計算該簇的性能。在每個簇中設置一個通信和檢測能力強的自主式水下航行器作為該簇的簇首(Leader)，各簇Leader間的編隊控制採用虛擬結構(Virtual Structure)。各簇內的局部跟蹤問題，以各簇Leader的路徑軌跡作為跟蹤的期望參考路徑，實現對Follower跟蹤Leader的編隊控制。虛擬-主從遞階控制結構解決了傳統Virtual Structure無法實現靈活編隊的問題,在一定程度上減少了多自主式水下航行器編隊間的通信量。利用分布式有限時間跟蹤控制策略實現對自主式水下航行器編隊的有限航跡控制。所述的艦載終端上還設有與所述艦載終端控制器連接的加速度傳感器，可以進行慣性導航，所述加速度傳感器用於獲取載體的3軸加速度信息，並將該信息發送至艦載終端控制器，由艦載終端控制器基於載體的系統運動方程融合各傳感器的導航數據計算載體的位置、速度和3軸加速度信息。由於載體運動方程的強非線性，組合導航算法使用Sigma點採樣策略的Unscented Kalman Filter(UKF)算法，實現多個導航模塊信息的融合和載體運動狀態的實時確定，抑制濾波的發散問題。岸基數據服務中心負責完成對北鬥衛星或GPRS信息的接收，根據接收信息中的不同北鬥終端號或者GPRS的SIM卡號，利用SQL SERVER2005資料庫進行不同的艦載終端信息的分類存儲。所述的岸基數據服務中心還包括與所述的數據伺服器連接的WEB伺服器。通過設置WEB伺服器，將物聯網技術引入多自主式水下航行器編隊導航中，改變了傳統的主式水下航行器編隊導航無法進行網絡實時監控的缺點，在岸基數據服務中心上架設WEB伺服器並設置用戶權限認證機制，使授權用戶能夠在任何地方通過瀏覽器上網掌握主式水下航行器編隊的運動信息。WEB伺服器的WEB頁面實現對多個自主式水下航行器編隊位置和姿態信息的顯示和查詢，並利用電子海圖實現對多個自主式水下航行器編隊位置信息的動態顯示，從而可以掌握多個自主式水下航行器編隊的動態位置信息，並通過北鬥或GPRS通信終端實現上浮、下潛控制命令和自主式水下航行器編隊新航路點的下發。自主式水下航行器依據接收到的新航路點和當前位置和姿態信息生成期望運動軌跡並實現對期望運動軌跡的有限時間軌跡跟蹤控制。此外，本實施例還可以通過引入物聯網技術，改變了傳統的自主式水下航行器編隊導航無法進行網絡實時監控的缺點，在岸上數據服務中心上架設WEB伺服器並設置用戶權限認證機制，使授權用戶能夠在任何地方通過瀏覽器上網掌握自主式水下航行器的運動信息；利用分布式有限時間跟蹤控制策略實現對自主式水下航行器編隊
的有限航跡控制。所述的艦載終端控制器還連接有顯示單元。艦載終端控制器將定位信息發送至，顯示單元為當前定位信息，包括經緯度、高程、航向、航速、以及岸基數據服務中心的控制指令和航路點信息進行顯示。當然，上述說明並非是對本實用新型的限制，本實用新型也並不僅限於上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本實用新型的實質範圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種自主式水下航行器編隊導航系統，其特徵在於包括艦載終端和岸基數據服務中心，所述艦載終端包括艦載終端控制器，以及分別與所述艦載終端控制器連接的用於與北鬥衛星通信的艦載北鬥導航模塊、用於與GPS衛星通信的艦載GPS導航模塊、艦載GPRS數據傳輸模塊，所述岸基數據服務中心包括數據伺服器，以及分別與所述數據伺服器連接的岸基北鬥導航模塊、岸基GPRS數據傳輸模塊。
2.根據權利要求I所述的導航系統，其特徵在於所述的艦載終端上還設有與所述艦載終端控制器連接的加速度傳感器。
3.根據權利要求I所述的導航系統，其特徵在於所述的岸基數據服務中心還包括與所述的數據伺服器連接的WEB伺服器。
4.根據權利要求I至3任一項權利要求所述的導航系統，其特徵在於所述的艦載終端控制器為基於ARM9的中央控制器。
5.根據權利要求I至3任一項權利要求所述的導航系統，其特徵在於所述的艦載終端控制器還連接有顯示單元。
專利摘要本實用新型公開了一種自主式水下航行器編隊導航系統，包括艦載終端和岸基數據服務中心，所述艦載終端包括艦載終端控制器，以及分別與所述艦載終端控制器連接的用於與北鬥衛星通信的艦載北鬥導航模塊、用於與GPS衛星通信的艦載GPS導航模塊、艦載GPRS數據傳輸模塊，所述岸基數據服務中心包括數據伺服器，以及分別與所述數據伺服器連接的岸基北鬥導航模塊、岸基GPRS數據傳輸模塊。本實用新型綜合了北鬥衛星、GPS、加速度傳感器、GPRS通信等導航定位模塊的功能，提高了定位精度，優勢互補；利用北鬥衛星和GPRS無線通信模塊與岸基數據控制中心進行交互通信，實現對多自主式水下航行器編隊的實時網絡監控，通過WEB和資料庫的使用，實現對WEB用戶訪問的授權。
文檔編號G01S19/39GK202583469SQ20122018899
公開日2012年12月5日 申請日期2012年4月28日 優先權日2012年4月28日
發明者周忠海, 袁健, 李磊, 蔣慧略, 徐娟, 姚璞玉, 劉波, 臧鶴超, 呂成興, 華志勵, 郝宗睿, 惠超, 曹松榮, 劉軍禮, 牟華, 張照文, 周曉晨, 金光虎 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所