用于水柱輔助導(dǎo)航的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)法典第35條第119款第e項(xiàng)，主張享有2012年10月29日提交的 美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/719, 916的權(quán)益，通過引用的方式將其公開作為整體合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 所公開的技術(shù)設(shè)及水下水聲測(cè)量系統(tǒng)，更具體地，設(shè)及用于輔助航行器（例如，水 下航行器扣V)或者不能使用GPS的航行器）導(dǎo)航的聲學(xué)多普勒流速剖面儀。
【背景技術(shù)】
[0004]-類重要類別的科學(xué)儀器設(shè)及精密水下聲學(xué)。利用發(fā)送聲脈沖并接收回波的先 進(jìn)換能器，可W測(cè)量水柱的各個(gè)單元中的水流速度。該種類型的測(cè)量在工業(yè)中稱為流速分 布。如美國(guó)專利No. 6, 052, 334所描述的，利用多普勒聲納測(cè)量流體介質(zhì)中的流速是行之有 效的。美國(guó)專利公開No. 2012/0302908公開了設(shè)及聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP)的一些 附加特征，通過引用的方式將其全部公開合并到本文中。傳統(tǒng)的ADCP能夠使用W公知的 Janus配置進(jìn)行布置的聲學(xué)換能器陣列。該種配置可W包括在正交平面中成對(duì)出現(xiàn)的4個(gè) 聲束。另外，例如，在Janus配置中，具有單個(gè)換能器的相控陣列可W被配置為產(chǎn)生多個(gè)波 束。ADCP能夠測(cè)量沿著波束軸投射的、波束長(zhǎng)度約為發(fā)射的聲脈沖的一半的距離單元上的 平均化的速度分量。因?yàn)榧僭O(shè)平均流速在波束上是水平均勻的，所W通過對(duì)相對(duì)波束求差 分能夠恢復(fù)流速分量。該過程對(duì)垂直流和/或未知的儀器傾斜引起的干擾相對(duì)不敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)都具有多個(gè)方面，其中沒有單獨(dú)的一個(gè)方 面單獨(dú)地促成其期望的屬性。在不限制本發(fā)明的范圍的情況下，現(xiàn)在將主要討論更突出的 特征。
[0006] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括大地 基準(zhǔn)傳感器，其被配置為測(cè)量W大地為基準(zhǔn)的航行器速度。所述系統(tǒng)還包括流速剖面儀，其 被配置為獲得與所述航行器相關(guān)的流速分布觀測(cè)。當(dāng)能夠通過所述大地基準(zhǔn)傳感器測(cè)量所 述航行器的速度時(shí)，所述流速分布觀測(cè)是W大地為基準(zhǔn)的流速分布，W及當(dāng)大地基準(zhǔn)傳感 器測(cè)量不可用時(shí)，所述流速分布是觀測(cè)到的水流分布。所述系統(tǒng)還包括處理器。所述處理 器被配置為；響應(yīng)于初始的大地基準(zhǔn)航行器速度，構(gòu)建W大地為基準(zhǔn)的流速分布的平均估 計(jì)。所述處理器還被配置為；當(dāng)大地基準(zhǔn)測(cè)量不可用時(shí)，使用順序觀測(cè)的水流分布并在空間 上將它們轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格。所述處理器還被配置為；通過求得連續(xù)觀測(cè)到的分 布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，確定由水柱推導(dǎo)出的航行器速度變 化的估計(jì)。所述處理器還被配置為；通過累加所述初始的大地基準(zhǔn)航行器速度和所述航行 器速度的隨后變化，確定由水柱推導(dǎo)出的航行器速度的估計(jì)。所述處理器還被配置為；將由 水柱推導(dǎo)出的航行器速度的估計(jì)用于導(dǎo)航方案和使流速分布W大地為基準(zhǔn)，直到W大地為 基準(zhǔn)的航行器速度可用。
[0007] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)航的方法。所述方法包括；通過大 地基準(zhǔn)傳感器測(cè)量W大地為基準(zhǔn)的航行器速度。所述方法還包括；通過流速剖面儀獲得與 所述航行器相關(guān)的流速分布觀測(cè)。當(dāng)能夠通過所述大地基準(zhǔn)傳感器測(cè)量所述航行器的速度 時(shí)，所述流速分布觀測(cè)是W大地為基準(zhǔn)的流速分布，W及當(dāng)大地基準(zhǔn)傳感器測(cè)量不可用時(shí)， 所述流速分布是觀測(cè)到的水流分布。所述方法還包括；響應(yīng)于初始的大地基準(zhǔn)航行器速度， 構(gòu)建W大地為基準(zhǔn)的流速分布的平均估計(jì)。所述方法還包括；當(dāng)大地基準(zhǔn)測(cè)量不可用時(shí)，在 空間上將順序觀測(cè)的水流分布轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格。所述方法還包括；通過求得連 續(xù)觀測(cè)到的分布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，確定由水柱推導(dǎo)出的 航行器速度變化的估計(jì)。所述方法還包括；通過累加所述初始的大地基準(zhǔn)航行器速度和所 述航行器速度的隨后變化，確定由水柱推導(dǎo)出的航行器速度的估計(jì)。所述方法還包括；將所 述由水柱推導(dǎo)出的航行器速度的估計(jì)用于導(dǎo)航方案和使流速分布W大地為基準(zhǔn)，直到W大 地為基準(zhǔn)的航行器速度可用。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括用于 測(cè)量W大地為基準(zhǔn)的航行器的速度的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括用于獲得與所述航行器相關(guān)的 流速分布觀測(cè)的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于響應(yīng)于初始的大地基準(zhǔn)航行器速度，構(gòu)建W大 地為基準(zhǔn)的流速分布的平均估計(jì)的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于當(dāng)大地基準(zhǔn)測(cè)量不可用時(shí)， 在空間上將順序觀測(cè)的水流分布轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用 于通過求得連續(xù)觀測(cè)到的分布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，獲得由 水柱推導(dǎo)出的航行器速度變化的估計(jì)的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于通過累加所述初始的 W大地為基準(zhǔn)的航行器速度和所述航行器速度的隨后變化，確定由水柱推導(dǎo)出的航行器速 度的估計(jì)的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于將所述由水柱推導(dǎo)出的航行器速度的估計(jì)用于導(dǎo) 航方案和使流速分布W大地為基準(zhǔn)，直到W大地為基準(zhǔn)的航行器速度可用的設(shè)備。
[0009] 為了概括本發(fā)明和取得的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本文在上文中已經(jīng)描述了本發(fā)明 的某些目的和優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，可W理解的是，不需要根據(jù)本發(fā)明的任何特定實(shí)施例實(shí)現(xiàn)所有的 該些目的和優(yōu)點(diǎn)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，可實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化本文教導(dǎo)或建 議的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)的方式體現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，而不需要本文可能教導(dǎo)或建議的其他 目的或優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 所有的該些實(shí)施例都旨在處于本文公開的本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過W下對(duì)參考附圖 的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，該些和其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見，本 發(fā)明不限于公開的任何特定的優(yōu)選實(shí)施例（優(yōu)選實(shí)施例可W為多個(gè)）。
【附圖說明】
[0011] 圖1A是用于測(cè)量流速分布的聲學(xué)聲納系統(tǒng)的透視圖，所述系統(tǒng)安裝在潛入水中 的移動(dòng)平臺(tái)上。
[0012]圖1B是用于測(cè)量流速分布的安裝在底部的聲學(xué)聲納系統(tǒng)的透視圖，所述系統(tǒng)W 朝下的方向安裝在移動(dòng)水面平臺(tái)上。
[0013] 圖2是根據(jù)本文公開的一個(gè)實(shí)施例的、用于確定流速分布的系統(tǒng)的功能框圖。
[0014] 圖3是用于圖2的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP)的電子設(shè)備的示例性的實(shí)施例 的框圖。
[0015] 圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于導(dǎo)航的系統(tǒng)的頂層進(jìn)程的框圖。
[0016] 圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行導(dǎo)航的過程的流程圖。
[0017] 圖6示出了當(dāng)航行器位于水面上或接近水面并且位于利用大地基準(zhǔn)傳感器（GP巧 確定航行器位置的范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航的實(shí)施例。
[0018] 圖7示出了當(dāng)航行器低于水面并估計(jì)航行器的軌跡時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航的實(shí)施例。所述航 行器位于使用大地基準(zhǔn)傳感器（GP巧或水底追蹤器確定位置的范圍之外。
[0019] 圖8示出了當(dāng)航行器足夠接近水的底面W利用水底追蹤器確定位置時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航 的實(shí)施例。
[0020] 圖9A和9B是用于對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)航的示例性的過程的流程圖。
[0021] 圖10是示出對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)航的過程的例子的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 利用基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，舉例來說，例如，在水體（例如，海洋或大海）表面的公 知的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GP巧，航行器可W確定它們的位置。然而，一旦沉入到水中，該航行 器就將失去捕獲GPSf目號(hào)的能力。當(dāng)航行器到達(dá)水底時(shí)，水底追蹤器（航位推測(cè)）提供速 度信息，但不提供位置信息。因此，在不能訪問衛(wèi)星定位系統(tǒng)的情況下，需要為水下航行器 更好地導(dǎo)航。
[0023] 當(dāng)航行器沉入水下時(shí)，其可W使用ADCP(聲學(xué)多普勒流速剖面儀）的流速分布來 導(dǎo)航。水下航行器可W具有來自水體表面的GPS的位置定位，并且一旦水下航行器已經(jīng)下 降到水體底部的追蹤范圍內(nèi)，其就可W使用水底追蹤器進(jìn)行航位推測(cè)。一個(gè)挑戰(zhàn)是，通過追 蹤航行器從水面到水底的轉(zhuǎn)移過程中的運(yùn)動(dòng)，確定航行器在水底的位置。在下降期間使用 W大地為基準(zhǔn)的流速分布，可W提供對(duì)水參考系的估計(jì)，從而提供對(duì)航行器運(yùn)動(dòng)的估計(jì)。與 在水面測(cè)量的流速分布相結(jié)合的GI^S位置和速度可W提供水參考系的第一W大地為基準(zhǔn) 的測(cè)量。在下降期間，隨后的分布可W提供分布梯度，所述分布梯度可用于將W大地為基準(zhǔn) 的分布擴(kuò)展至水底。該種對(duì)W大地為基準(zhǔn)的流速分布的推斷可W提供一種在航行器到達(dá)水 底之前估計(jì)航行器在水下的運(yùn)動(dòng)的方法。一旦實(shí)現(xiàn)水底追蹤，用于航行器運(yùn)動(dòng)的校正基準(zhǔn) 就可用于改進(jìn)位置估計(jì)。由獨(dú)立的水柱推導(dǎo)出的航行器運(yùn)動(dòng)的估計(jì)可用于導(dǎo)航。
[0024] 在水面或水下的航行器可使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP)來分析相對(duì)于平臺(tái) 的水流，并且可W使用大地基準(zhǔn)裝置來確定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的W大地為基準(zhǔn)巧時(shí)的測(cè)量。大地 基準(zhǔn)裝置可W包括慣性系統(tǒng)、測(cè)量平臺(tái)相對(duì)于大地運(yùn)動(dòng)的水底跟蹤ADCP、或者可W跟蹤相 對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)的固定大地參考的位置的任何合適的裝置，例如，GI^S系統(tǒng)。壓力傳感器估計(jì) 航行器的深度。某些時(shí)候，大地基準(zhǔn)傳感器可能不能用，例如，當(dāng)航行器下降到水面W下時(shí)， GI^S不能用。另外，只有在低于水底位于ADCP范圍內(nèi)的深度時(shí)，水底跟蹤才可用。
[00巧]ADCP測(cè)量背后的一個(gè)原則是可W由ADCP測(cè)量流速分布?？蒞將ADCP或多個(gè)ADCP朝上、朝下或成角度的安裝到航行器上，W測(cè)量作為ADCP范圍內(nèi)的深度的函數(shù)的流速分 布。
[0026] -個(gè)策略是改進(jìn)流速分布的估計(jì)。觀測(cè)到的分布的單個(gè)脈沖測(cè)量可W是有噪聲 的。如果水流速度確實(shí)是相對(duì)靜態(tài)的，那么流速分布的估計(jì)可W在時(shí)間上平均W獲得較低 的方差。當(dāng)下降的水下航行器扣V)測(cè)量還沒有受益于GP