一种基于“准短基线”的惯性导航/水声组合导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于惯性导航与水声定位技术领域，具体设及一种基于"准短基线"的惯性 导航/水声组合导航方法。
【背景技术】
[0002] 传统短基线水声定位系统由3个W上换能器组成，换能器的阵形为=角形或四边 形，组成声基阵。为了保证定位精度，换能器之间的距离应超过10m，换能器之间的相互关系 可W精确测定，组成声基阵坐标系，声基阵坐标系与船坐标系的相互关系由常规测量方法 确定。
[0003] 短基线的测量方法是由一个换能器发射，所有换能器接收，得到一个斜距观测值 和不同于运个观测值的多个斜距值。系统根据声基阵相对船坐标系的固定关系，借助GPS 定位和航姿信息，可解算得到目标的大地坐标。
[0004] 构成短基线声基阵的换能器与超短基线相比技术较易实现，但是水下运载体的横 向宽度很难安装多达3个W上相互间距离10mW上的换能器。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是利用水下运载体纵轴方向有较大长度和水下导航可借 助深度传感器将3维定位转换为2维的特点，改进传统短基线定位系统的换能器布置方案， 提出适合于水下运载体应用的"准短基线"定位的概念，并基于"准短基线"提出一种惯性 导航/水声组合导航方法。
[0006] 本发明通过W下方案来实现：
[0007] -种基于"准短基线"的惯性导航/水声组合导航方法，具体过程为：
[0008] (1)在水下运载体的腊、艇两端各安装一个声学询问器，并确定两询问器之间的间 距；在运载体艇端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水下运载体周 围的应答器共同构成"准短基线"定位系统；
[0009] (2)定义W艇端询问器为原点、W艇端询问器和腊端询问器在艇端询问器所在水 平面内的投影的连线为y轴的右手系为载体水平坐标系；
[0010] (3)在运载体上安装惯导系统，惯导系统安装位置与水下运载体艇端的询问器一 致；
[0011] (4)运载体开始行进并利用惯导系统实现导航，行进一段时间后，在需要对惯导系 统积累误差进行校准时，腊、艇两端的两个询问器顺次发出询问信号，利用声学测距原理分 别获得两询问器至应答器的距离；
[0012] (5)根据两询问器至应答器的距离W及深度传感器测量的深度信息，计算应答器 在载体水平坐标系的位置信息；
[0013] (6)根据应答器在载体水平坐标系位置信息和已知的应答器在导航坐标系的位置 信息，计算出水下运载体在导航坐标系中的位置信息，利用所述位置信息实现对惯导系统 的校准，实现惯导/水声组合定位。
[0014] 进一步地，本发明所述应答器为已经布设于海底的应答器，或为由水下运载体自 动投放的应答器；当为水下运载体自动投放的应答器时，所述应答器位于浮标上，且浮标上 装备有卫星导航接收天线，应答器在导航坐标系中的位置信息由接收天线接收。
[0015] 进一步地，所述计算应答器在载体水平坐标系的位置信时，其横坐标由运载体腊 向幅值变化和腊向角确定。
[0016] 有益效果：
[0017] 本发明利用惯性导航/水声组合定位方法，其只需安装两个换能器即可实现，改 进传统短基线定位系统的换能器布置方案，实现水下持续导航的目的。
【附图说明】
[0018] 图1为准短基线定位系统的原理示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0020] 如图1所示，在水下运载体的腊度'2)艇化）线两端各装一换能器，其间距为D， 即BiB'2=D。在运载体上艇端询问器安装处安装深度传感器；两询问器、深度传感器及水 下运载体周围的应答器共同构成了"准短基线"定位系统。定义W艇端询问器为原点、W艇 端询问器和腊端询问器在艇端询问器所在水平面内的投影的连线为y轴的右手系为载体 水平坐标系。即令B2点为运载体腊换能器B'2在Bi水平面内投影，定义oxyz为W换能器 Bi为原点，WB化连线为y轴，在B1水平面内构成的右手载体水平坐标系。设Z1为B1处水 深，B'2处水深为Z2=Zi-Dsin目，D' =化OS目，设运载体周围的应答器为付，由两询问器、 深度传感器及应答器共同构成"准短基线"定位系统，如图1所示。
[0021] 在运载体上安装惯导系统，惯导系统安装位置与运载体艇端的询问器一致；选定 导航坐标系，建立载体坐标系，并在开始行进前进行必要的初始对准工作。
[0022] 运载体开始行进并利用惯导系统实现导航，行进一段时间后，惯导系统所积累的 误差已经超出允许的范围时，此时需要对惯导系统积累误差进行校准，Bi、B'2处两询问器顺 次发出询问信号，利用声学测距原理分别获得询问器至应答器距离Ri和R2;
[0023] 根据坐标轴投影可建立一组二元二次联立方程，根据此二元二次联立方程展开求 解，可得到应答器与载体水平坐标系原点相对距离。
[0024]根据准短基线概念的几何原理，W距离为半径形成的两球面交线与平面相交存在 非单值性问题。
[00巧]由图1可见，y轴根据测距离数据，可确定包括正负方向在内的Ryi准确数值。因 为y轴有两个换能器（询问器）所W除距离信息外还可获得方向。但X轴则只能确定Rxi 绝对值，因为X轴只有一个换能器，无法确定方向，为利用测距数据获得准确位置信息，也 即包括正负号在内的把1准确数值，必须确定应答器处于平面载体坐标的象限位置。
[0026] 首先，可W利用应答器与运载体惯导系统两者经缔度相对数据确定应答器在载体 平面坐标系的象限。但运种方法在许多情况下会失误，因为利用测距原理计算运载体地理 位置时，运载体惯导系统可能已累积有较大位置误差，比如1~2海里，如果应答器与运载 体真实距离不足够大，将会发生误判。
[0027] 另外一种方法可通过改变运载体航行方向，获得对应答器所在位置的判断数据。 但运一方法需要附加大幅度改变航向的操控，运种航行操作在某些情况下也会受到限制。
[0028] 分析研究得到一种不附加任何操作，不受惯导系统位置误差和应答器相对运载体 距离的实时判定算法，可实现确定应答器在载体平面坐标系的象限。
[0029] 运载体巡航或航渡过程中，即使在保持风平浪静直航向情况下，其腊向也会有轻 微摆动，运种轻微摆动必然会反映Ryi幅值变化，根据腊向角与R幅值相关机理，利用逻辑 关系算法即可编制不受应答器与运载体相对距离、方位W及惯导位置误差幅值等因素约束 的判断算法，消除运载体位置不定性，求得包括正负号在内的确定数值。
[00引]其中，表示Rxi的幅值变化，去的表示腊向角的变化。
[0032] 根据准短基线算法得到的3维定位数据Rxi、Ryi、Zi还只是声基阵水平坐标系中换 能器Bi与应答器间的相对位置数据，它们还不能直接用于导航定位。为了使准短基线得到 的位置数据用于导航，还需将运些原始数据进行必要的变换。
[0033] 具体为：根据确定的应答器位于载体水平坐标系的位置信息（即应答器相对水下 运载体上惯导系统的