用于水柱辅助导航的系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据美国法典第35条第119款第e项，主张享有2012年10月29日提交的 美国临时申请No. 61/719, 916的权益，通过引用的方式将其公开作为整体合并到本文中。
技术领域
[0003] 所公开的技术设及水下水声测量系统，更具体地，设及用于辅助航行器（例如，水 下航行器扣V)或者不能使用GPS的航行器）导航的声学多普勒流速剖面仪。
【背景技术】
[0004]-类重要类别的科学仪器设及精密水下声学。利用发送声脉冲并接收回波的先 进换能器，可W测量水柱的各个单元中的水流速度。该种类型的测量在工业中称为流速分 布。如美国专利No. 6, 052, 334所描述的，利用多普勒声纳测量流体介质中的流速是行之有 效的。美国专利公开No. 2012/0302908公开了设及声学多普勒流速剖面仪（ADCP)的一些 附加特征，通过引用的方式将其全部公开合并到本文中。传统的ADCP能够使用W公知的 Janus配置进行布置的声学换能器阵列。该种配置可W包括在正交平面中成对出现的4个 声束。另外，例如，在Janus配置中，具有单个换能器的相控阵列可W被配置为产生多个波 束。ADCP能够测量沿着波束轴投射的、波束长度约为发射的声脉冲的一半的距离单元上的 平均化的速度分量。因为假设平均流速在波束上是水平均匀的，所W通过对相对波束求差 分能够恢复流速分量。该过程对垂直流和/或未知的仪器倾斜引起的干扰相对不敏感。
【发明内容】
[0005] 本发明的系统、方法和计算机可读介质都具有多个方面，其中没有单独的一个方 面单独地促成其期望的属性。在不限制本发明的范围的情况下，现在将主要讨论更突出的 特征。
[0006] 在一个实施例中，提供了一种用于对航行器进行导航的系统。所述系统包括大地 基准传感器，其被配置为测量W大地为基准的航行器速度。所述系统还包括流速剖面仪，其 被配置为获得与所述航行器相关的流速分布观测。当能够通过所述大地基准传感器测量所 述航行器的速度时，所述流速分布观测是W大地为基准的流速分布，W及当大地基准传感 器测量不可用时，所述流速分布是观测到的水流分布。所述系统还包括处理器。所述处理 器被配置为；响应于初始的大地基准航行器速度，构建W大地为基准的流速分布的平均估 计。所述处理器还被配置为；当大地基准测量不可用时，使用顺序观测的水流分布并在空间 上将它们转移到深度单元的固定网格。所述处理器还被配置为；通过求得连续观测到的分 布的差分并且求得所述深度单元的固定网格内的平均，确定由水柱推导出的航行器速度变 化的估计。所述处理器还被配置为；通过累加所述初始的大地基准航行器速度和所述航行 器速度的随后变化，确定由水柱推导出的航行器速度的估计。所述处理器还被配置为；将由 水柱推导出的航行器速度的估计用于导航方案和使流速分布W大地为基准，直到W大地为 基准的航行器速度可用。
[0007] 在一个实施例中，提供了一种对航行器进行导航的方法。所述方法包括；通过大 地基准传感器测量W大地为基准的航行器速度。所述方法还包括；通过流速剖面仪获得与 所述航行器相关的流速分布观测。当能够通过所述大地基准传感器测量所述航行器的速度 时，所述流速分布观测是W大地为基准的流速分布，W及当大地基准传感器测量不可用时， 所述流速分布是观测到的水流分布。所述方法还包括；响应于初始的大地基准航行器速度， 构建W大地为基准的流速分布的平均估计。所述方法还包括；当大地基准测量不可用时，在 空间上将顺序观测的水流分布转移到深度单元的固定网格。所述方法还包括；通过求得连 续观测到的分布的差分并且求得所述深度单元的固定网格内的平均，确定由水柱推导出的 航行器速度变化的估计。所述方法还包括；通过累加所述初始的大地基准航行器速度和所 述航行器速度的随后变化，确定由水柱推导出的航行器速度的估计。所述方法还包括；将所 述由水柱推导出的航行器速度的估计用于导航方案和使流速分布W大地为基准，直到W大 地为基准的航行器速度可用。
[0008] 在一个实施例中，提供了一种用于对航行器进行导航的系统。所述系统包括用于 测量W大地为基准的航行器的速度的设备。所述系统还包括用于获得与所述航行器相关的 流速分布观测的设备。所述系统还包括；用于响应于初始的大地基准航行器速度，构建W大 地为基准的流速分布的平均估计的设备。所述系统还包括；用于当大地基准测量不可用时， 在空间上将顺序观测的水流分布转移到深度单元的固定网格的设备。所述系统还包括；用 于通过求得连续观测到的分布的差分并且求得所述深度单元的固定网格内的平均，获得由 水柱推导出的航行器速度变化的估计的设备。所述系统还包括；用于通过累加所述初始的 W大地为基准的航行器速度和所述航行器速度的随后变化，确定由水柱推导出的航行器速 度的估计的设备。所述系统还包括；用于将所述由水柱推导出的航行器速度的估计用于导 航方案和使流速分布W大地为基准，直到W大地为基准的航行器速度可用的设备。
[0009] 为了概括本发明和取得的优于现有技术的优点，本文在上文中已经描述了本发明 的某些目的和优点。当然，可W理解的是，不需要根据本发明的任何特定实施例实现所有的 该些目的和优点。因此，例如，本领域技术人员将意识到，可实现或优化本文教导或建 议的一个优点或一组优点的方式体现或实现本发明，而不需要本文可能教导或建议的其他 目的或优点。
[0010] 所有的该些实施例都旨在处于本文公开的本发明的范围内。通过W下对参考附图 的优选实施例的详细描述，该些和其他实施例对本领域技术人员来说将变得显而易见，本 发明不限于公开的任何特定的优选实施例（优选实施例可W为多个）。
【附图说明】
[0011] 图1A是用于测量流速分布的声学声纳系统的透视图，所述系统安装在潜入水中 的移动平台上。
[0012]图1B是用于测量流速分布的安装在底部的声学声纳系统的透视图，所述系统W 朝下的方向安装在移动水面平台上。
[0013] 图2是根据本文公开的一个实施例的、用于确定流速分布的系统的功能框图。
[0014] 图3是用于图2的声学多普勒流速剖面仪（ADCP)的电子设备的示例性的实施例 的框图。
[0015] 图4是根据一个实施例的用于导航的系统的顶层进程的框图。
[0016] 图5是根据一个实施例进行导航的过程的流程图。
[0017] 图6示出了当航行器位于水面上或接近水面并且位于利用大地基准传感器（GP巧 确定航行器位置的范围内时进行导航的实施例。
[0018] 图7示出了当航行器低于水面并估计航行器的轨迹时进行导航的实施例。所述航 行器位于使用大地基准传感器（GP巧或水底追踪器确定位置的范围之外。
[0019] 图8示出了当航行器足够接近水的底面W利用水底追踪器确定位置时进行导航 的实施例。
[0020] 图9A和9B是用于对航行器进行导航的示例性的过程的流程图。
[0021] 图10是示出对航行器进行导航的过程的例子的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 利用基于卫星的定位系统，举例来说，例如，在水体（例如，海洋或大海）表面的公 知的全球定位导航系统（GP巧，航行器可W确定它们的位置。然而，一旦沉入到水中，该航行 器就将失去捕获GPSf目号的能力。当航行器到达水底时，水底追踪器（航位推测）提供速 度信息，但不提供位置信息。因此，在不能访问卫星定位系统的情况下，需要为水下航行器 更好地导航。
[0023] 当航行器沉入水下时，其可W使用ADCP(声学多普勒流速剖面仪）的流速分布来 导航。水下航行器可W具有来自水体表面的GPS的位置定位，并且一旦水下航行器已经下 降到水体底部的追踪范围内，其就可W使用水底追踪器进行航位推测。一个挑战是，通过追 踪航行器从水面到水底的转移过程中的运动，确定航行器在水底的位置。在下降期间使用 W大地为基准的流速分布，可W提供对水参考系的估计，从而提供对航行器运动的估计。与 在水面测量的流速分布相结合的GI^S位置和速度可W提供水参考系的第一W大地为基准 的测量。在下降期间，随后的分布可W提供分布梯度，所述分布梯度可用于将W大地为基准 的分布扩展至水底。该种对W大地为基准的流速分布的推断可W提供一种在航行器到达水 底之前估计航行器在水下的运动的方法。一旦实现水底追踪，用于航行器运动的校正基准 就可用于改进位置估计。由独立的水柱推导出的航行器运动的估计可用于导航。
[0024] 在水面或水下的航行器可使用声学多普勒流速剖面仪（ADCP)来分析相对于平台 的水流，并且可W使用大地基准装置来确定平台运动的W大地为基准巧时的测量。大地 基准装置可W包括惯性系统、测量平台相对于大地运动的水底跟踪ADCP、或者可W跟踪相 对于移动平台的固定大地参考的位置的任何合适的装置，例如，GI^S系统。压力传感器估计 航行器的深度。某些时候，大地基准传感器可能不能用，例如，当航行器下降到水面W下时， GI^S不能用。另外，只有在低于水底位于ADCP范围内的深度时，水底跟踪才可用。
[00巧]ADCP测量背后的一个原则是可W由ADCP测量流速分布。可W将ADCP或多个ADCP朝上、朝下或成角度的安装到航行器上，W测量作为ADCP范围内的深度的函数的流速分 布。
[0026] -个策略是改进流速分布的估计。观测到的分布的单个脉冲测量可W是有噪声 的。如果水流速度确实是相对静态的，那么流速分布的估计可W在时间上平均W获得较低 的方差。当下降的水下航行器扣V)测量还没有受益于GP