基于“虚拟短基线”定位系统的惯导/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，具体涉及一种基于"虚拟短基线"定位 系统的惯导/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个以上换能器组成，换能器的阵形为三角形或四边 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l〇m，换能器之间的相互关系 可以精确测定，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 和不同于这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，但是潜器的横向宽度 很难安装多达3个以上相互间距离10m以上的换能器。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的是针对传统短基线定位系统的换能器布置方案对潜器要 求较高的问题，提出适合于潜器应用的"虚拟短基线"定位的概念，并基于"虚拟短基线"提 出一种惯性导航和水声定位组合方法。
[0006] 本发明通过以下方案来实现：
[0007] -种基于"虚拟短基线"定位系统的惯导/水声组合导航方法，具体过程为：
[0008] (1)在潜器上惯导系统所在的位置安装声学询问器和深度传感器；
[0009] (2)潜器开始行进并利用惯性导航系统实现导航，当需要对惯导系统积累误差进 行校准时，判断潜器附近是否有应答器，若有进入步骤（4)，否则，进入步骤（3);
[0010] (3)潜器向水面投放一个装备有卫星导航接收天线和应答器的浮标；
[0011] (4)在时刻h和时刻12，令潜器上的声学询问器与应答器之间进行通信，设惯导系 统在^与1 2时刻的误差相同，利用11与12时刻声学询问器所处不同位置，使其与应答器之 间构成"虚拟短基线"定位系统；
[0012] (5)利用所述"虚拟短基线"定位系统进行定位，利用应答器的位置已知或通过浮 标上卫星导航天线获取，计算潜器在导航坐标系中的位置信息，再利用所述位置信息实现 对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。
[0013]进一步地，本发明所述步骤（4)的具体过程为：
[0014] 401，潜器上的声学询问器与应答器进行通信，在时刻^测得潜器与应答器之间距 离幅值R(ti)，记录应答器的地理位置（λ&' (tl)，Lt/ (D)、潜器深度Z(ti)和惯导系统 输出的位置信息（λ/匕)山'匕)），根据R(ti)和Z(ti)计算R(ti)在水平面内的投影 Rxy(tl)；
[0015] 402,潜器航行设定时间后，在时刻丨2测得潜器与应答器之间距离幅值R(t2)，记 录应答器的地理位置（λ&' (t2)，Lt/ (t2))、潜器深度Z(t2)和惯导系统输出的位置信息 (λ/ (t2)，L/ (t2))，根据R(t2)和Z(t2)距离幅值R(t2)在水平面内的投影Rxy(t2);
[0016] 403，令队点为时刻ti时的潜器位置点；令B/点的坐标为（λΒ2,LB2)，如果应答 器在时刻^到时刻〖2时间段内未移动，则令B2'点为时刻t2时的潜器位置点；如果应答器 在时刻h到时刻12时间段内有移动，则令V点为时刻t2时的潜器条件位置，
[0018] 404,以队为原点，以的连线在队水平面内投影为y轴构成右手载体水 平坐标系；在载体水平坐标系上，形成在&'点存在有虚拟询问器，使其与应答器之间构成 "虚拟短基线"定位系统。
[0019] 进一步地，本发明步骤（5)的过程为：
[0020] 首先，计算队与^间的距离D，
[0021] 其次，根据所述距离D计算得出应答器相对载体水平坐标系原点队位置信息，
[0023] 其中，Rxyl=MD，二心（/2)
[0024] 再次，基于应答器的位置已知或通过浮标上的卫星导航天线获取，计算出潜器在 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，再利用所述位置信 息实现对惯导系统的校准，实现惯导/水声定位的组合导航。
[0025] 有益效果
[0026] 本发明通过利用"虚拟短基线"定位系统与惯导系统的组合形式来实现定位导航， 相比于传统短基线水声定位系统，其只需在潜器上安装一个询问器（换能器）即可实现。
【附图说明】
[0027] 图1为虚拟短基线定位系统的原理示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0029] 设潜器上惯导系统位置处安装有深度传感器和水声换能器（询问器）；潜器航行 长时间后，惯导系统积累有位置误差需进行校准。此时，若潜器周围存在应答器（例如周围 海域的海底存在位置信息已知的应答器），则利用其周围存在的应答器进行定位，若潜器周 围不存在应答器，此时潜器向水面投放一装备有卫星导航接收天线和应答器的浮标，浮标 地理经炜度，由卫星导航接收天线准确接收。潜器上询问器在h时刻测得潜器与浮标之间 距离幅值R(ti)，并记录应答器的地理位置（λ&' (tl)，Lt/ (U)、潜器深度Z(ti)、以及潜 器惯导系统输出的位置信息（即经炜度）（λν' (tlL/ (tj)。利用R(ti)和Z(ti)可求
[0030] 潜器航行短时间后，在t2时刻重复前次作业，获得R(t2)，应答器的地理位 置Utr' (t2)，Ltr' (t2))、潜器深度Z(t2)、潜器惯导系统的位置信息（即经炜度） (λv' (t2)，L/ (t2))，并根据R(t2)和Z(t2)
[0031] 因为惯导系统位置误差在短时间内相对稳定，可认为两时刻潜器的位置误差相 等，因此：
[0032]
[0033] 设队点为潜器^时刻实际位置点（λ/ (tl)，L/ (t))，如果应答器从&至七2 未移动，令B2点为潜器实际位置点，比如海底固定应答器情况。如果是浮标携带应答器，则 从心至1 2时刻应答器位置可能会发生变化，则B2点不是潜器12时刻实际位置，称之为潜器 t2条件位置点，此时82的坐标为（λB2，LB2):
[0035] 以队与1'连线在队水平面内投影为y轴构成右手载体水平坐标系（x，y，z)(图 1)。在载体水平坐标系下，形成在B2点存在有虚拟询问器的虚拟短基线定位系统，即利用 询问器在存在时间差L时刻和12时刻位置的不同，视12时刻询问器为t#寸刻的虚拟询问 器，从而创造了结合压力传感器提供的深度信息解算惯导系统的准确位置的条件。惯导系 统位置误差在短时间内相对稳定，可认为两时刻潜器的位置误差相等，即：
[0036]
[0037] 潜器南北航行200m时，炜度变化约为6sec，两时刻炜度余弦值cosL/ (tj与 cosL/ (t2)差异相对量最大约为3X10 5,所以可认为两时刻潜器炜度的余弦值相等，即认 为cosLv (tj) 一cosLy(t2) 〇
[0038] 设计算队与Β2间的距离D:
[0039] 根据上述方程有：
[0042] 其中，Rxl表示沿X轴方向，应答器相对于B屈距离，Ryl表示沿y轴方向，应答器相 对于队的距离，，Rx2表示沿X轴方向，应答器相对于B2的距离，Rxyl =Rxy㈨），杧2 =(/_,)。
[0043] 因为Rxl=Rx2，所以⑴式与⑵式相减，得出应答器相对载体水平坐标系原点队 位置信息：
[0045] 根据所计算的位置信息和应答器已知准确位置，可知潜器在导航坐标系中的位 置，利用该位置信息对惯导系统进行校准。
[0046] 此步求解联立方程组时会产生两个关于y轴对称的位置解，即不能确定应答器X 轴位置Rxl的正负号，只能确定其绝对值。此时利用潜器航行时艏向必然产生摆动以及这种 摆动必然会反映Rxl幅值变化的特性，根据艏向角与Rxl幅值相关机理，利用逻辑关系算法即 可编制不受应答器与潜器相对距离、方位以及惯导位置误差幅值等因素约束的判断算法， 消除潜器位置不定性，求得包括正负号在内的确定位置信息。即与准短基线双测距方法相 同，利用惯导系统角速率数据与测距数据变化的函数关系消除X轴向的不定。虚拟短基线 单测距情况下，潜器巡航或者航渡过程中，即使在保持直航向情况下，即使风平浪静其艏向 也会有±2°~3°的摆幅，Rxy也会有轻微的改变。根据艏向角速率与Rxy幅值变化以及Ryl 数值的函数关系
表示Rxl的幅值变化，令⑴ 表示艏向角的变化，只需在测距过程中检测这轻微变动，即可建立用以消除Rx不定性的逻