本发明属于无人潜航器领域，具体涉及一种uuv抵近海底长期驻留的无源定位装置及其定位方法。
背景技术
无人潜航器(uuv)在执行水下侦查、海底潜伏等任务时，需要在接近海底某一点上进行长期停留，实现高隐蔽性且能耗极低的潜伏作业。为了实现uuv在航行时的易操控性，常将uuv设计成浮力等于自身重力。这样在uuv进行水下停留时，就会受到海流的影响，偏离给定位置。因此，设计一种能够进行长期、低功耗的水下定位装置对于uuv的水下潜伏任务是十分必要的。
对于传统的ins/dvl组合导航方法，利用多普勒测速仪对惯性导航系统进行漂移误差的校正，广泛用于水下潜航器的定位导航。当uuv在小范围水域内进行长时间停留时，由于机体的扰动的影响，多普勒测速系统会产生较大测量噪声影响，并且随时间累积，惯性导航系统会产生累积误差，使得ins/dvl组合导航系统产生较大的定位误差，且长时间处于运行状态会损耗机体电量，同时有源定位也不利于潜器的隐蔽性。可见，ins/dvl组合导航系统对于uuv的水下长期潜伏行为并不适用。对此，找到一种可以满足长期水下运行并且电量损耗低的定位系统显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的是：针对uuv水下长期停留时，易受到海流影响而偏离给定位置的问题，提出一种uuv水下张紧索定位装置及方法，且能实现长期稳定的水下定位。
本发明的目的是这样实现的：
一种uuv抵近海底长期驻留的无源定位装置，包括液压驱动臂、uuv无人潜航器和张紧锁装置；其特征在于：所述的液压驱动臂布置在uuv无人潜航器上，所述的张紧锁装置和液压驱动臂相连；所述的张紧锁装置包括张紧锁、索位跟踪器、传感器万向机构和角度传感器。
一种uuv抵近海底长期驻留的无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一当uuv运行到指定停留点时，通过开启中侧舱壁，控制液压臂将张紧索装置放出，通过控制盘放出锚，在锚触底后，通过ins/dvl组合导航系统测量并记录下此时的uuv位置，作为基准点；
步骤二设中部张紧索系统锚位为
其中，θxm1为张紧索含传感器x轴的平面上的测量角；θym1为张紧索含传感器y轴的平面上的测量角；htw1为张紧索系船点和锚之间的垂直距离；并由罗经得出则uuv相对于初始停泊位置艏向角ψ；
步骤三由中部张紧索得出含传感器x轴与y轴的平面上的测量角为θxm与θym，在忽略索缆悬链效应以及海流的影响情况下，则由传统张紧索计算公式得出uuv位置的偏移矩阵为：
步骤四考虑到海流以及索缆自重的影响，作用在索上的水流阻力以及索缆重量造成了实际偏移角和测量偏移角之差，为了计算出实际的和测量的偏移角之差，设水流均匀作用在整个索缆上，设其单位长度自重为q，对索缆取微元，两端分别受到拉力t和t+dt的共同作用，则对微元列方程为：
其中，径向力fτ和切向力fπ分别为：
其中
cosβv＝v-1(v·uη)
ρ为海水密度；cn为索缆伸长系数；cτ1、cτ2、cπ1、cπ2为经验常数；
设误差为：
其中，
对索缆列微分方程得：
其中，y为弦的横向位移；z为uuv距海底的距离；t为时间；t为弦的张力；w为水中单位弦长的重量；q为单位弦长的质量；f为单位长度的横向负荷；
设水流均匀作用在整个索缆上，并且流速随水深的平方递减，则索缆受到的横向负荷表示为：
其中，δy为uuv横向的实际偏移；ε为uuv横向表观偏移与实际偏移之差；q0为uuv主体受到的水流负荷；htw为张紧索长度；
式中第一项代表索的悬链效应，第二项和第三项描述作用在索上的水流效应；同理得到沿纵向的偏移距离δx，即得到实际中锚位相对于张紧锁系船点的偏移
步骤五在索缆收回过程中，通过控制绞车收回锚，并通过液压装置收回张紧锁机构，关闭舱壁以保持其流线外形。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在uuv进行长期水下潜伏过程中，通过位于机体中部的两套张紧锁系统进行水下无源定位，利用中部张紧索得出uuv实际偏移坐标，并结合罗经所得角度信息推算出uuv艏向偏移角。由于所使用的角度传感器不存在累积误差的影响，其误差仅取决于器件系统误差以及安装误差。不随时间而积累，避免了有源定位如ins/dvl组合导航产生的定位发散情况。由于采用无源定位，保证了uuv的隐蔽性，该发明可使uuv在抵近海底某一小范围区域内做长期的停留，并在需要启用时，提供准确的当前位置，保证了水下长期潜伏任务的完成。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明总体概览图；
图3为本发明张紧锁系统呈放出状态示意图；
图4为本发明张紧索系统的基本元件；
图5为本发明理想张紧索系统测量几何图形；
图6为本发明张紧索系统平面几何图形；
图7为本发明海流和索重对张紧索系统静态性能影响；
图8为本发明对张紧锁微元进行受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的新概念减摇减阻船舶作出以下详细说明：
无源定位装置由液压连杆机构、两套张紧索系统组成。当uuv在航行过程中，张紧索收于uuv内部；当uuv需要在抵近海底水域内进行长期停留时，两套跟踪器支架从uuv内部伸出，并控制下锚。当uuv偏离原有位置时，利用中部张紧索系统计算出uuv实际偏移位置，并通过罗经所测角度，得出uuv的艏向角偏移。当需要回到原有位置继续航行时，控制uuv移动到初始位置，控制起锚，并将张紧索系统收于uuv内部，实现uuv起航。本发明可以使uuv在抵近海底水域内进行长期停留时利用无源定位保持uuv定位准确性以及自身隐蔽性，避免了有源定位的定位发散现象。
结合图2与图4，本发明的一种uuv海底长期停留的无源定位装置由位于机体中部的张紧索装置组成，并通过液压驱动臂与uuv内壁相连，涉及张紧索、索位跟踪器和传感器万向机构以及角度传感器。安装位置应保证索位跟踪器位于uuv中线上。
(1)当uuv运行到指定停留点时，通过开启中侧舱壁，控制液压臂将张紧索装置放出，如图3，通过控制盘放出锚，在锚触底后，通过ins/dvl组合导航系统测量并记录下此时的uuv位置，作为基准点。
(2)如图6，设中部张紧索系统锚位为
θxm1——张紧索含传感器x轴的平面上的测量角
θym1——张紧索含传感器y轴的平面上的测量角
htw1——张紧索系船点和锚之间的垂直距离(m)
并由罗经得出则uuv相对于初始停泊位置艏向角ψ。
(3)由中部张紧索得出含传感器x轴与y轴的平面上的测量角为θxm与θym，在忽略索缆悬链效应以及海流的影响情况下，则由传统张紧索计算公式得出uuv位置的偏移矩阵为
(4)考虑到海流以及索缆自重的影响，作用在索上的水流阻力以及索缆重量造成了实际偏移角和测量偏移角之差，为了计算出实际的和测量的偏移角之差，假设水流均匀作用在整个索缆上，设其单位长度自重为q，如图8，对索缆取微元，两端分别受到拉力t和t+dt的共同作用，则对微元可列方程为
其中，径向力fτ和切向力fπ分别为
其中
cosβv＝v-1(v·uη)(10)
ρ——海水密度(kg/m3)
cn——索缆伸长系数
cτ1、cτ2、cπ1、cπ2——经验常数
设误差为
δ——uuv的实际偏移(m)
对索缆列微分方程可得
y——弦的横向位移(m)；
z——uuv距海底的距离(m)；
t——时间(s)；
t——弦的张力(n)；
w——水中单位弦长的重量(n)；
q——单位弦长的质量(kg)；
f——单位长度的横向负荷(n)。
假设水流均匀作用在整个索缆上，并且流速随水深的平方递减，则索缆受到的横向负荷可以表示为
δy——uuv横向的实际偏移(m)；
ε——uuv横向表观偏移与实际偏移之差(m)；
q0——uuv主体受到的水流负荷(n)；
htw——张紧索长度(m)。
式中第一项代表索的悬链效应，第二项和第三项描述作用在索上的水流效应。同理可得到沿纵向的偏移距离δx，即可得到实际中锚位相对于张紧锁系船点的偏移
(5)在索缆收回过程中，通过控制绞车收回锚，并通过液压装置收回张紧锁机构，关闭舱壁以保持其流线外形。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。