一种水下航行器组合导航系统及导航信息融合方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于组合导航技术领域，特别涉及了一种水下航行器组合导航系统及导航 信息融合方法。
【背景技术】
[0002] 水下导航定位是海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋开发需要获取 大范围、高精度的海洋环境数据，需要进行海底勘探、水下测量及水下工程等，现代海战也 逐渐发展成为涉及太空、天空、陆地、海面、水下及海底多层空间的立体战争，所有这些都需 要有海面与水下导航定位的支撑。
[0003] 导航技术是水下潜器所面临的技术挑战之一。导航系统必须提供远距离及长时间 的高度位置、速度和姿态信息。精确导航技术是水下潜器有效作业和安全回收的关键，但是 受水下环境的复杂性、潜器自身体积、重量、能源以及隐蔽性等因素的影响，实现高精度的 水下潜器导航仍然是一项艰巨的任务。由于电磁波在水中衰减大，不能够远程传播，因而陆 地上一些成熟的导航方法在水下并不适用。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述【背景技术】提出的技术问题，本发明旨在提供一种水下航行器组合导 航系统及导航信息融合方法，克服了陆地导航技术应用在水下的缺陷，满足水下航行器高 精度、高隐蔽性的需求。
[0005] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0006] -种水下航行器组合导航系统，包括捷联惯性导航装置、长基线定位装置、测深测 潜仪以及信息融合模块，所述长基线定位系统包括一个接收器以及设置在水下不同位置的 多个应答器阵列，所述捷联惯性导航装置测量航行器的位置、速度、航向姿态信号并传送给 信息融合模块，所述接收器根据各应答器阵列的位置信息测量出航行器的位置信息，并传 送给信息融合模块，所述测深测潜仪测量航行器的高度信息并传送给信息融合模块，所述 信息融合模块将捷联惯性导航装置、长基线定位装置和测深测潜仪测量的信息进行融合， 输出航行器导航信息，并用输出的导航信息校正捷联惯性导航装置。
[0007] 基于上述技术方案的一种优选方案，一个应答器阵列包括3个应答器，这3个应答 器构成等边三角形。
[0008] 基于上述技术方案的一种优选方案，3个应答器构成边长为L的等边三角形，且边 长L=^h，其中，h为水下航行器与该应答器阵列中心的深度差。
[0009] 基于上述技术方案的一种优选方案，捷联惯性导航装置包括三轴加速度计、三轴 陀螺仪、信号调理电路和微处理器，所述三轴陀螺仪采集航行器的角度信息并传送给微处 理器，所述三轴加速度计采集航行器的加速度信息，并经信号调理电路处理后传送给微处 理器，微处理器根据接收到的加速度和角度信息，得到航行器的位置、速度、航向姿态信息， 并传送给信息融合模块。
[0010]基于上述技术方案的一种优选方案，信号调理电路包括依次连接的滤波电路、放 大电路和AD转换器，从而对三轴加速度计输出的信息依次进行滤波、放大和AD转化处理。 [0011]本发明还包括一种应用于上述组合导航系统的导航信息融合方法，该方法包括捷 联惯性导航装置与长基线定位装置的信息融合以及利用长基线定位装置对捷联惯性导航 装置进行校正，具体步骤如下：
[0012] (1)列出捷联惯性导航装置的失准角误差方程、速度误差方程以及位置误差方程；
[0013] (2)根据水下航行器与各应答器阵列之间的距离，利用球面交汇方法，得到定位方 程：
[0014] | |xG-xTi | |=ri(i = i，2，"，N)
[0015] 其中，N为应答器阵列总数，i表示第i个应答器阵列，XC为待求解的航行器位置坐 标，Xn为锚定于水底的第i个应答器阵列的位置坐标，η为航行器与第i个应答器阵列之间 的距离；
[0016] (3)根据步骤（1)列出的失准角误差方程、速度误差方程以及位置误差方程以及三 轴陀螺仪和三轴加速度计的常值漂移，得到组合导航系统状态方程；
[0017] (4)将长基线定位装置测出的位置信息与捷联惯性导航系统输出的位置信息作 差，作为组合导航系统的量测值，构造误差方程；
[0018] (5)利用卡尔曼滤波算法得到捷联惯性导航系统误差状态的全局最优估计后，对 捷联惯性导航系统进行误差校正。
[0019]采用上述技术方案带来的有益效果：
[0020] 本发明针对水下航行器组合导航系统初始对准以及长时间航行后发射子系统之 前重新进行初始对准的技术问题，结合捷联惯性导航、长基线定位可以给出精确的航向角、 经炜度信息的优势，对水下航行器组合导航进行改进，提高了组合导航系统的隐蔽性以及 长时间导航精度。本发明根据长基线定位信息对捷联惯性导航的时间积累误差进行校正， 且由于捷联惯性导航系统在垂直方向的可观测度低，垂直方向高度信息输出不稳定，所以 利用测深测潜仪提供航行器垂直方向的高度信息。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的系统组成框图。
[0022] 图2是本发明中捷联惯性导航装置的组成框图。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0024]如图1所示本发明的系统组成框图，包括捷联惯性导航装置、长基线定位装置、测 深测潜仪以及信息融合模块，所述长基线定位系统包括一个接收器以及设置在水下不同位 置的多个应答器阵列，所述捷联惯性导航装置测量航行器的位置、速度、航向姿态信号并传 送给信息融合模块，所述接收器根据各应答器阵列的位置信息测量出航行器的位置信息， 并传送给信息融合模块，所述测深测潜仪测量航行器的高度信息并传送给信息融合模块， 所述信息融合模块将捷联惯性导航装置、长基线定位装置和测深测潜仪测量的信息进行融 合，输出航行器导航信息，并用输出的导航信息校正捷联惯性导航装置。
[0025]在本实施例中，长基线定位装置采用球面交汇方法实现定位，每个应答器阵列包 括3个应答器，这3个应答器构成边长为L的等边三角形，且边长L=^h,其中，h为水下航行 器与该应答器阵列中心的深度差。
[0026]在本实施例中，如图2所示，捷联惯性导航装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、信 号调理电路和微处理器，所述三轴陀螺仪采集航行器的角度信息并传送给微处理器，所述 三轴加速度计采集航行器的加速度信息，并经信号调理电路处理后传送给微处理器，微处 理器根据接收到的加速度和角度信息，得到航行器的位置、速度、航向姿态信息，并传送给 信息融合模块。其中，信号调理电路包括依次连接的滤波电路、放大电路和AD转换器，从而 对三轴加速度计输出的信息依次进行滤波、放大和AD转化处理。
[0027] 本发明还包括一种应用于上述组合导航系统的导航信息融合方法，该方法包括捷 联惯性导航装置与长基线定位装置的信息融合以及利用长基线定位装置对捷联惯性导航 装置进行校正，具体步骤如下：
[0028] 首先，列出捷联惯性导航装置的失准角误差方程、速度误差方程以及位置误差方 程：
[0029] f + δω? ~ (ft) * + ωζη ) χ φη ~ ερ
[0030] δνη = Γ Xφπ +Ψ'-{Ιδω^+δω?ν)χ Vn ~(2mie + ωα])χ5V" .6V - SK ν
[00311 SL ---- δλ - -see Δ -l· - see L tan L6L R、 R, R,
[0032] 其中，A、L分别为坐标系中的经度和炜度;VE为东向速度;Vn为北向速度；#是导航 坐标系中姿态角误差是地球坐标系相对惯性坐标系旋转角速度在导航坐标系中的投 影是导航坐标系相对地球坐标系旋转角速度在导航坐标系中的投影； ε是陀螺仪常值 漂移误差;Γ是三维加速度在导航坐标系中的投影;▽是加速度计常值漂移误差;Rn是北向 地球半径;Re是东向地球半径。
[0033] 在长基线定位中，假设应答器阵列位置坐标为(x，y，z)，水下航行器在N个测量点 接收到应答器信号，并对其进行测向。各测量点利用导航系统和深度传感器测得打底坐标 为(x〇i，yQi，ZQi) (i = l，2, "·Ν)。若以第^^点位置为参考，可以得到相对位置(xi，yi，zi): γ -y* .-y·' Λ? 入 Μ
[0034] 乃=)? - JW _Zi_20ι： _
[0035] 这些点的相对位置坐标(Xl，yi，Zl)可以由航位推算或者惯导测得。由于是在局部 海域测量，累积误差较小，测量精度较高。