一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置及定位方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置及定位方法。包括超短基線水聲定位裝置、慣性導(dǎo)航儀、水上綜合處理機(jī)；其中所述超短基線水聲定位裝置包括GPS裝置、聲信標(biāo)、超短基線基元陣；該導(dǎo)航裝置用于母船、水下拖體，在母船上設(shè)有一個(gè)垂直方向的支架，所述聲信標(biāo)安裝在母船支架的底端上，所述GPS裝置安裝在母船支架的頂端上，所述慣性導(dǎo)航儀、超短基線基元陣安裝在所述水下拖體上，所述慣性導(dǎo)航儀與超短基線基元陣相連，所述慣性導(dǎo)航儀、超短基線基元陣和GPS裝置均與所述水上綜合處理機(jī)相連；本發(fā)明的定位方法不受海洋環(huán)境噪聲的影響，即使單次水聲定位效果很差，慣性導(dǎo)航儀會(huì)用濾波器將其過濾，保持定位的穩(wěn)定性。
【專利說明】一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置及定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種組合導(dǎo)航裝置及定位方法，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置及定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在反水雷以及各種海洋勘探活動(dòng)中，通常會(huì)利用聲納進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)定位，而對(duì)搭載聲納的平臺(tái)(如水下拖體、自主航行器等)進(jìn)行精準(zhǔn)地定位是最終對(duì)目標(biāo)探測(cè)定位的關(guān)鍵。
[0003]超短基線水聲定位(USBL)是比較常用的水下拖體定位方法，其原理是通過多個(gè)基元陣接收同一個(gè)反射聲波的信號(hào)，解算出目標(biāo)的相對(duì)位置。單純的超短基線水聲定位方法易受到海洋環(huán)境噪聲的干擾，單次定位誤差較大(以4基元陣超短基線定位系統(tǒng)為例，IOOm斜距定位絕對(duì)誤差約為3m)。
[0004]慣性導(dǎo)航(INS)是一種常用的高精度導(dǎo)航技術(shù)，在導(dǎo)彈、飛行器、船舶等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其原理是測(cè)量當(dāng)前航行體的加速度、速度、角速度信息，計(jì)算該航行體的實(shí)時(shí)位置。慣性導(dǎo)航在定位之初需要一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)值，且在長時(shí)間工作后會(huì)出現(xiàn)“時(shí)漂”現(xiàn)象，為解決上述問題，一般的陸上設(shè)備需要使用GPS系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航組合，從而形成GPS慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0005]由于水下拖體工作在水下，無法裝載GPS系統(tǒng)，因此要獲得高精度的水下拖體定位精度，必須依靠超短基線水聲定位與慣性導(dǎo)航的相互配合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置及定位方法，它可以將超短基線水聲定位方技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)相融合，從而對(duì)水下拖體進(jìn)行定位。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置，包括超短基線水聲定位裝置、慣性導(dǎo)航儀、水上綜合處理機(jī)；其中所述超短基線水聲定位裝置包括GPS裝置、聲信標(biāo)、超短基線基元陣；該導(dǎo)航裝置用于母船、水下拖體，在母船上設(shè)有一個(gè)垂直方向的支架，
[0008]所述聲信標(biāo)安裝在母船支架的底端上，所述GPS裝置安裝在母船支架的頂端上，所述慣性導(dǎo)航儀、超短基線基元陣安裝在所述水下拖體上，所述慣性導(dǎo)航儀與超短基線基元陣相連，所述慣性導(dǎo)航儀、超短基線基元陣和GPS裝置均與所述水上綜合處理機(jī)相連；
[0009]所述GPS裝置向水上綜合處理機(jī)發(fā)送聲信標(biāo)的GPS位置，同時(shí)超短基線基元陣向聲信標(biāo)發(fā)送聲信號(hào)，聲信標(biāo)收到聲信號(hào)后應(yīng)答，超短基線基元陣接收聲信標(biāo)的聲信號(hào)。
[0010]在慣性導(dǎo)航儀上還設(shè)有濾波器。可以將單次定位誤差較大的位置點(diǎn)過濾，保持定位的穩(wěn)定性。
[0011]該裝置的定位方法在于:
[0012]步驟一、所述超短基線基元陣接收所述聲信標(biāo)的聲信號(hào)時(shí)向所述慣性導(dǎo)航儀發(fā)送同步脈沖信號(hào)，發(fā)送同步脈沖信號(hào)的時(shí)間設(shè)為tl，所述慣性導(dǎo)航儀接收所述超短基線基元陣的同步脈沖信號(hào)并記憶tl ；
[0013]步驟二、所述超短基線基元陣得出所述聲信標(biāo)與所述超短基線基元陣的相對(duì)位置，并向所述水上綜合處理機(jī)發(fā)送所述聲信標(biāo)與所述超短基線基元陣的相對(duì)位置和tl ；
[0014]步驟三、所述水上綜合處理機(jī)根據(jù)得到的所述聲信標(biāo)與所述超短基線基元陣的相對(duì)位置以及GPS裝置傳送的所述聲信標(biāo)的GPS位置，得出所述超短基線基元陣的GPS位置a，得出所述超短基線基元陣的GPS位置a的時(shí)間設(shè)為t2，并將所述超短基線基元陣的GPS位置a和t2發(fā)送至所述慣性導(dǎo)航儀；
[0015]步驟四、所述慣性導(dǎo)航儀收到所述超短基線基元陣的GPS位置a和t2后，判斷tl和t2的差值，
[0016]當(dāng)差值的絕對(duì)值小于或等于0.5s時(shí)，所述慣性導(dǎo)航儀進(jìn)行組合導(dǎo)航處理，得到所述超短基線基元陣的GPS位置b，并將所述超短基線基元陣的GPS位置b傳送至所述水上綜合處理機(jī)進(jìn)行顯示；
[0017]當(dāng)差值的絕對(duì)值大于0.5s時(shí)，結(jié)束工作；
[0018]上述得到的所述超短基線基元陣的GPS位置b即為水下拖體的最終位置。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于:
[0020]一、不受海洋環(huán)境噪聲的影響，即使單次水聲定位效果很差，慣性導(dǎo)航儀會(huì)用濾波器將其過濾，保持定位的穩(wěn)定性；
[0021]二、每幀都向慣性導(dǎo)航發(fā)送水聲定位數(shù)據(jù)，解決了單純用慣性導(dǎo)航儀帶來的“時(shí)漂”問題；
[0022]三、將超短基線水聲定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)相融合，解決了無法對(duì)水下拖體進(jìn)行組合導(dǎo)航的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明組成示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明數(shù)據(jù)處理流程圖；
[0025]圖3是本發(fā)明中組合導(dǎo)航處理原理圖。
[0026]其中，1-母船；2_水下拖體；3_母船支架；4_GPS裝置；5_聲信標(biāo)；6_水上綜合處理機(jī)；7_絞車；8_超短基線基元陣；9_慣性導(dǎo)航儀。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述，以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明具體實(shí)施的技術(shù)方案是:一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置，包括超短基線水聲定位裝置、慣性導(dǎo)航儀9、水上綜合處理機(jī)6 ;其中所述超短基線水聲定位裝置包括GPS裝置4、聲信標(biāo)5、超短基線基元陣8 ;該導(dǎo)航裝置用于于母船1、水下拖體2，在母船I上設(shè)有一個(gè)垂直方向的母船支架3，在所述母船I上還安裝有絞車7，所述水下拖體2通過絞車7的纜繩施放在水下；
[0029]所述聲信標(biāo)5安裝在所述母船支架3的底端上，所述GPS裝置4安裝在母船支架3的頂端上，所述慣性導(dǎo)航儀9、超短基線基元陣8安裝在所述水下拖體2上，所述慣性導(dǎo)航儀9與所述超短基線基元陣8相連，所述慣性導(dǎo)航儀9、超短基線基元陣8和GPS裝置4均與所述水上綜合處理機(jī)6相連；
[0030]所述GPS裝置4向所述水上綜合處理機(jī)6發(fā)送所述聲信標(biāo)5的GPS位置，同時(shí)所述超短基線基元陣8向所述聲信標(biāo)5發(fā)送聲信號(hào)，所述聲信標(biāo)5收到聲信號(hào)后應(yīng)答，所述超短基線基元陣8接收所述聲信標(biāo)5的聲信號(hào)。
[0031]在慣性導(dǎo)航儀9上還設(shè)有濾波器。可以將單次定位誤差較大的位置點(diǎn)過濾，保持定位的穩(wěn)定性。
[0032]該導(dǎo)航裝置的定位方法在于:
[0033]步驟一、所述超短基線基元陣8接收所述聲信標(biāo)5的聲信號(hào)時(shí)向所述慣性導(dǎo)航儀9發(fā)送同步脈沖信號(hào)，發(fā)送同步脈沖信號(hào)的時(shí)間設(shè)為tl，所述慣性導(dǎo)航儀9接收所述超短基線基元陣8的同步脈沖信號(hào)并記憶tl ；
[0034]步驟二、所述超短基線基元陣8得出所述聲信標(biāo)5與所述超短基線基元陣8的相對(duì)位置，并向所述水上綜合處理機(jī)6發(fā)送所述聲信標(biāo)5與所述超短基線基元陣8的相對(duì)位置和tl ；
[0035]步驟三、所述水上綜合處理機(jī)6根據(jù)得到的所述聲信標(biāo)5與所述超短基線基元陣8的相對(duì)位置以及GPS裝置4傳送的所述聲信標(biāo)5的GPS位置，得出所述超短基線基元陣8的GPS位置a，得出超短基線基元陣8的GPS位置a的時(shí)間設(shè)為t2，并將所述超短基線基元陣8的GPS位置a和t2發(fā)送至慣性導(dǎo)航儀9 ；
[0036]步驟四、所述慣性導(dǎo)航儀9收到所述超短基線基元陣8的GPS位置a和t2后，判斷tl和t2的差值，
[0037]當(dāng)差值的絕對(duì)值小于或等于0.5s時(shí)，所述慣性導(dǎo)航儀9進(jìn)行組合導(dǎo)航處理，得到所述超短基線基元陣8的GPS位置b，并將所述超短基線基元陣8的GPS位置b傳送至所述水上綜合處理機(jī)6進(jìn)行顯示；
[0038]當(dāng)差值的絕對(duì)值大于0.5s時(shí)，結(jié)束工作；
[0039]上述得到的所述超短基線基元陣8的GPS位置b即為水下拖體的最終位置。具體的組合導(dǎo)航處理采用緊密耦合組合導(dǎo)航算法，算法原理圖見附圖3。緊密耦合組合導(dǎo)航算法步驟如下:
[0040]一、將超短基線水聲定位Ttl時(shí)刻定位結(jié)果(? y0)作為初值，與慣性導(dǎo)航儀測(cè)得的加速度、速度、角速度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過卡爾曼濾波器后計(jì)算輸出Ttl時(shí)刻最終定位結(jié)果(U0, V0);
[0041]二、將(Utl, Vtl)與T1時(shí)刻超短基線水聲定位的定位結(jié)果(Xl，yi)進(jìn)行差值比較，根據(jù)差值調(diào)節(jié)加速度、速度、角速度的匹配因子，經(jīng)過卡爾曼濾波器后計(jì)算輸出T1時(shí)刻最終定位結(jié)果(U1, V1)；
[0042]三、以此類推，將(Ulri, Vlri)與Tn時(shí)刻超短基線水聲定位的定位結(jié)果(xn，yn)進(jìn)行差值比較，根據(jù)差值調(diào)節(jié)加速度、速度、角速度的匹配因子，經(jīng)過卡爾曼濾波器后計(jì)算輸出Tn時(shí)刻最終定位結(jié)果(Un，Vn)。
[0043]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置，包括超短基線水聲定位裝置、慣性導(dǎo)航儀(9)、水上綜合處理機(jī)(6);其中所述超短基線水聲定位裝置包括GPS裝置(4)、聲信標(biāo)(5)、超短基線基元陣(8)； 其特征在于:所述聲信標(biāo)(5)安裝在母船支架(3)的底端上，所述GPS裝置(4)安裝在母船支架(3)的頂端上，所述慣性導(dǎo)航儀(9)、超短基線基元陣(8)安裝在水下拖體(2)上，所述慣性導(dǎo)航儀(9)與所述超短基線基元陣(8)相連，所述慣性導(dǎo)航儀(9)、超短基線基元陣(8)和GPS裝置(4)均與所述水上綜合處理機(jī)(6)相連； 所述GPS裝置(4)向所述水上綜合處理機(jī)(6)發(fā)送所述聲信標(biāo)(5)的GPS位置，同時(shí)所述超短基線基元陣(8)向所述聲信標(biāo)(5)發(fā)送聲信號(hào)，所述聲信標(biāo)(5)收到聲信號(hào)后應(yīng)答，所述超短基線基元陣(8)接收所述聲信標(biāo)(5)的聲信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)水下拖體定位的組合導(dǎo)航裝置，其特征在于:在所述慣性導(dǎo)航儀(9)上還設(shè)有濾波器。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述組合導(dǎo)航裝置的定位方法，其特征在于: 步驟一、所述超短基線基元陣(8)接收所述聲信標(biāo)(5)的聲信號(hào)時(shí)向所述慣性導(dǎo)航儀(9)發(fā)送同步脈沖信號(hào)，發(fā)送同步脈沖信號(hào)的時(shí)間設(shè)為tl，所述慣性導(dǎo)航儀(9)接收所述超短基線基元陣(8)的同步脈沖信號(hào)并記憶tl ； 步驟二、所述超短基線基元陣(8 )得出所述聲信標(biāo)(5 )與所述超短基線基元陣(8 )的相對(duì)位置，并向所述水上綜合處理機(jī)(6)發(fā)送所述聲信標(biāo)(5)與超短基線基元陣(8)的相對(duì)位置和tl ； 步驟三、所述水上綜合處理機(jī)(6)根據(jù)得到的所述聲信標(biāo)(5)與超短基線基元陣(8)的相對(duì)位置以及所述GPS裝置(4)傳送的所述聲信標(biāo)(5)的GPS位置，得出所述超短基線基元陣(8)的GPS位置a，得出所述超短基線基元陣(8)的GPS位置a的時(shí)間設(shè)為t2，并將所述超短基線基元陣(8)的GPS位置a和t2發(fā)送至所述慣性導(dǎo)航儀(9)； 步驟四、所述慣性導(dǎo)航儀(9)收到所述超短基線基元陣(8)的GPS位置a和t2后，判斷tl和t2的差值， 當(dāng)差值的絕對(duì)值小于或等于0.5s時(shí)，所述慣性導(dǎo)航儀(9)進(jìn)行組合導(dǎo)航處理，得到所述超短基線基元陣(8)的GPS位置b，并將所述超短基線基元陣(8)的GPS位置b傳送至所述水上綜合處理機(jī)(6)進(jìn)行顯示； 當(dāng)差值的絕對(duì)值大于0.5s時(shí)，結(jié)束工作； 上述得到的所述超短基線基元陣(8)的GPS位置b即為水下拖體的最終位置。
【文檔編號(hào)】G01S19/47GK103543459SQ201310421367
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】余白石, 張修志, 張吟, 壽麗莉 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所