基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法
2024-01-29 09:50:15
基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法的實現。該方法利用位置已知的水下單個網絡節點作為參考節點，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，同時結合水下航行器在每個通信測距時間間隔內的運行速度、位移、航向角等信息，來實現水下航行器的定位，然後利用定位所得的位置信息來修正水下航行器配置的捷聯慣導/都卜勒測速導航系統（SINS/DVL）的累積誤差，從而實現高精度的組合導航。本發明可以用來定時修正SINS/DVL導航系統的累積誤差，通過預先設定好修正周期，從而在保證水下航行器隱蔽性以及自主性的基礎上，實現水下航行器的長時間高精度組合導航，具有較高的實際應用價值。
【專利說明】基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法
【技術領域】
[0001]本發明是關於導航定位技術，尤其是關於一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航系統以及導航定位方法。
【背景技術】
[0002]海洋可以說是人類生存和可持續發展的重要領域，對於海洋的利用以及開發已經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等領域中，由於無線電波在水下衰減比較嚴重，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得到了極其廣泛的發展以及應用。
[0003]近幾十年來，水下信息網絡作為無線傳感器網絡技術應用的一大分支，以水聲通信和網絡技術為基礎，在水聲技術的研究領域中進入到全新的發展階段。水下信息網絡，就是部署在水下環境中，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絡，是陸地無線傳感器網絡向水下應用的延伸。在水下部署傳感器網絡節點，一方面可以檢測水下環境，進行水下信息的收集，另一方面可以把已知位置的傳感器網絡節點作為參考節點，用來對該海域中的水下航行器等進行定位，從而輔助水下航行器實現高精度導航。
[0004]要使水下航行器完成一些預定的任務以及使命，自然離不開水下導航技術。和陸地導航以及空中導航相比，水下導航具有工作時間長、隱蔽性要求高、環境複雜以及信息源少等特點，因此相對於陸地導航以及空中導航，水下導航的研究和應用具有更大的難度。
[0005]目前，將水下信息網絡和目標定位技術結合在一起，是水聲定位技術的新興研究方向。對檢測區域的目標進行定位是水下信息網絡眾多應用的一個關鍵技術，也是其他應用的基礎。
[0006]本發明中，把已知位置信息的單個水下信息網絡節點作為參考節點，同時結合水下航行器的航跡，用來對該海域中的水下航行器進行定位，並利用定位結果來定時修正水下航行器SINS/DVL導航系統的累積誤差，從而實現水下航行器長時間的高精度自主導航。
[0007]利用水下信息網絡節點來實現監測海域的目標定位，同時與水下航行器自身配置的SINS/DVL導航系統相結合，從而修正SINS/DVL導航系統的累積誤差，實現高精度的組合導航，這在水下導航定位研究中，有著長足的意義。
【發明內容】
[0008]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種長時間的高精度自主組合導航方法，該方法能夠大大提高長時間航行的水下航行器的導航精度，並具有自主性。
[0009]本發明為實現上述發明目的採用如下技術方案:
[0010]一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，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導航系統進行導航。SINS/DVL導航系統可以對水下航行器進行短時間的高精度導航定位，但是隨著時間的推移，存在一定的累積誤差。對於長時間航行的水下航行器，SINS/DVL導航系統存在一定的導航偏差，需要定時引入其他定位系統進行輔助導航定位，從而修正此導航系統的導航累積誤差，實現長時間的高精度自主導航。
[0012]其中，SINS/DVL導航系統原理為:
[0013]綜合SINS系統與DVL系統的誤差模型，建立SINS/DVL系統的狀態方程以及量測方程，利用卡爾曼濾波進行該系統的最優估計，從而實現SINS/DVL導航系統的導航。
[0014]B,由於長時間航行之後，SINS/DVL導航系統存在一定的累積誤差,故需要定時對其進行輔助定位，利用輔助定位結果修正導航累積誤差，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，與參考網絡節點之間完成通信測距，從而獲得時延差，算出距離信息，為待測點位置的求解提供充分的條件，提高定位精度。
[0016]B-2，結合水下航行器在每個通信測距時間間隔內的運行速度、位移、航向角等信息，來實現水下航行器的定位。
[0017]步驟B-1中的一種通信測距的方法，本發明中採用雙向通信測距的方法完成參考點與待測點之間的水聲測距，具體步驟為:
[0018]首先，待測點水聲modem產生由信息碼和同步頭信號組成的定位脈衝，經調製後，向水下參考點(位置已知)發射此定位脈衝信號，此發送信號中包含發送時間tl，當水下參考點收到該信號時，進行同步解調，並利用同步過程得到信號傳輸時延差τ?，並把τ?和收到的信號一起重新調製，變頻回發給待測節點作為應答，此回發信號中還包含回發時間t3和參考點的深度信息，待測點換能器收到此回發信號時，再進行同步解調，得到此次的傳輸時延差τ 2，同時解調得到τ 1，在通信測距過程中，信號傳輸時延差τ 1、τ 2，通過LFM信號求相關檢測求得。
[0019]設信號發射端與接收端的時間誤差為Λ τ，發送節點與接收節點之間的單向時延差為τ。由信號處理過程，可得如下時間關係:
【權利要求】
1.一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，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導航系統進行粗導航； B,定時對所述水下航行器進行輔助定位，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，與參考網絡節點之間完成通信測距，從而獲得時延差，算出距離信息，為待測點位置的求解提供充分的條件，提聞定位精度； B-2，結合水下航行器在每個通信測距時間間隔內的運行速度、位移、航向角等信息，來實現水下航行器的定位； C，定時對水下航行器進行定位運算，利用定位所得的位置信息來修正水下航行器配置的SINS/DVL導航系統的累積誤差，從而實現高精度的組合導航。
2.根據權利要求1所述的一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，其特徵在於: 所述步驟A中的SINS/DVL導航系統是綜合SINS系統與DVL系統的誤差模型，建立SINS/DVL系統的狀態方程以及量測方程，利用卡爾曼濾波進行該系統的最優估計，從而實現SINS/DVL導航系統的粗導航。
3.根據權利要求1所述的一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，其特徵在於: 步驟B-1中的所述通信測距具體包括以下步驟: 待測點水聲modem產生由信息碼和同步頭信號組成的定位脈衝，經調製後，向水下參考點發射此定位脈衝信號，其中所述水下參考點的位置已知，此發送信號中包含發送時間tl ； 當水下參考點收到該信號時，進行同步解調，並利用同步過程得到信號傳輸時延差τ i，並把τ i和收到的信號一起重新調製，變頻回發給待測節點作為應答，此回發信號中還包含回發時間t3和參考點的深度信息； 待測點換能器收到此回發信號時，再進行同步解調，得到此次的傳輸時延差τ2，同時解調得到τ i ； 在通信測距過程中，信號傳輸時延差H、τ2，通過LFM信號求相關檢測求得； 設信號發射端與接收端的時間誤差為△ τ，發送節點與接收節點之間的單向時延差為τ，由信號處理過程，可得如下時間關係:
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，得到兩點之間的距離，完成測距。
4.根據權利要求1所述的一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，其特徵在於: 步驟B-2中的兩次通信測距時間間隔內的航位推算，具體步驟為: 設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系的位移和水下航行器的俯仰角，可以通過慣性導航儀器實時測量和計算得到； 則兩次通信測距時間將內的位移可以表示為:
其中I《i《11，&和Fi可以由SINS/DVL導航系統解算得到，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.根據權利要求1所述的一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，其特徵在於: 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次採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次採樣時刻的位置； 第i次採樣時，水下航行器與參考網絡節點之間的距離Cli表示為:
其中，Zi通過深度傳感器實時測量得到。 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絡節點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和參考網絡節點之間的距離，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)為參考水下信息網絡節點的坐標，為已知量； 通過雙向通信測距，待測目標與參考網絡節點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，其餘量為已知量； 對於基於雙向通信測距的定位系統，定位起始時刻，以及之後採樣時刻的定位模型表達式如下所示:
將上式括號展開後，並用式(10)中的I)式減去2)式，整理之後，可以得到如下線性方程組:
在方程組CX = D中，C中的變量通過慣導解算的軌跡推導得到，因為採樣計算時間較短，可以認為慣導具有足夠高的精度，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，可以求得待測點的位置信息，實現定位。
6.根據權利要求1所述的一種基於水下信息網絡的單參考節點水下航行器組合導航方法，其特徵在於: 步驟C中定時修正SINS/DVL導航系統的累積誤差，具體步驟為: 利用SINS/DVL導航系統進行導航，定時對水下航行器進行定位運算，利用定位過程求得的待測點的位置信息對SINS/DVL導航系統的累積誤差進行修正，從而實現高精度的自主組合導航。
【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 優先權日:2014年9月11日
【發明者】高翔, 周雲 申請人:東南大學