一种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉导航领域，具体涉及一种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类对海洋资源的探索越来越频繁，各种水下潜器在多个领域都得到了广泛 应用。潜器分为主潜器和从潜器，通常从潜器由携带它们的主潜器即母船进行投放，并根据 预先设定的好的任务进行工作。这些母船一般是大型的水面舰艇或潜艇，自身安装了相对 完备的高精度导航设备，能够获知母船自身的精确位置;母船投放从潜器后，对其进行跟踪 作业。
[0003] 由于母船所释放的从潜器通常体积不大，而且载荷有限，装载的导航设备一般精 度较低，但要在水下完成长时间的勘察测绘等工作时，同样需要高精度的导航定位。
[0004]为此，现在人们提出了以下两种方案，实现对从潜器的定位：
[0005] 方案一：
[0006] 使用长基线水声定位系统，通过在海底提前安装位置精确已知的3个以上的应答 器，通过球面交汇原理进行定位。
[0007] 但其缺点在于：1、设备安装繁琐，成本较高。2、所需应答器较多。3、长基线系统的 布设仅适用于局部已知海域，对于一些保密性较高的任务布设相应设备非常困难。
[0008] 方案二：
[0009] 近些年又有相关人员提出了在潜器上面装载倒转长基线水声定位系统的方式，提 前在海面上布放3个以上装有应答器的浮标，并对每个浮标的初始位置进行标定，再利用球 面交汇原理进行定位。
[0010] 但其缺点在于:1、浮标受到洋流的影响，较难达到更高精度的要求。
[0011] 综上所述，采用长基线水声定位系统会带来诸多不便，而且，目前现有技术仅能够 对从潜器实现定位的作用，而不能够对从潜器的行驶轨迹进行纠正。此外，在导航作业过程 中，由于母船和投放的多个水下潜器之间是通过水声方式进行通信，相对空气中的电磁信 号，声波在海水中的传播速度要慢很多，并且水下潜器一般都处于移动状态中，由于距离和 海洋环境的影响，必定带来通信过程中信号传输的信息滞后问题。如果在导航定位过程中 忽略了信息滞后所带来的影响，也必定会导致定位精度的降低。
【发明内容】
[0012] 有鉴于此，本发明提供了一种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法，能够实 现从潜器的精确定位，并对通信过程中的信息滞后。
[0013] -种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法，在从潜器上安装有用于航位推算 的惯性测量单元以及用于与母船进行水声通讯的水声应答器;具体包括如下步骤：
[0014] 步骤一、母船投放从潜器后；从潜器上的惯性测量单元实时输出当前从潜器的加 速度和角加速度信息，并发送至从潜器上的控制单元；
[0015] 步骤二、控制单元利用牛顿定律，结合步骤一中获得的加速度和角加速度信息，获 得当前从潜器速度和角速度信息;根据初始时刻从潜器的经炜度坐标信息，得到从潜器的 航位推算轨迹，从潜器根据该航位推算轨迹行驶;执行步骤三；
[0016] 步骤三、超短基线定位系统的声基阵实时发送声信号;执行步骤四；
[0017]步骤四、位于从潜器上的水声应答器判断是否接收到所述声信号，若未接收到，则 从潜器继续根据所述的航位推算轨迹行驶;否则，在接收到所述声信号后，发送响应信号给 母船中所述超短基线定位系统的声基阵，所述声基阵根据响应信号，获得超短基线定位系 统的声基阵与水声应答器之间的时间差和相位差，并根据声信号在水中的传播速度，进而 测量出从潜器相对于母船的实际距离信息和方位信息;执行步骤五；
[0018] 步骤五、母船利用惯性导航中矩阵转换理论，将步骤四中获得的实际距离信息和 方位信息转换成导航坐标系中的经炜度坐标信息，获得当前从潜器相对于母船的实际经炜 度坐标信息;执行步骤六；
[0019] 步骤六、母船根据从潜器的实际经炜度坐标信息以及所选的误差参量，利用卡尔 曼滤波器对获得的实际经炜度坐标信息进行滤波，获得消除通信延迟后的经炜度坐标信息 的真值，并发送至从潜器的控制单元，执行步骤七；
[0020] 步骤七、根据步骤一和步骤二的方法，控制单元根据当前加速度和角加速度信息， 继而获得当前速度和角速度信息；结合步骤六中获得的经炜度坐标信息的真值，得到从潜 器的航位推算轨迹，从潜器根据该航位推算轨迹行驶;返回步骤三，继续发送声信号，直至 任务结束。
[0021] 有益效果：
[0022] 1、本发明用超短基线定位系统替代现有技术中倒转长基线水声定位系统，实现导 航的目的；即：利用超短基线定位系统的声基阵进行测量，获得从潜器与母船之间的距离和 航向信息，进而转换为实际经炜度坐标信息；并将实际经炜度坐标信息发送从潜器的控制 单元，从潜器进行以实际经炜度坐标信息作为初始位置，重新规划航位推算轨迹，使从潜器 按照该航位推算轨迹行驶。避免了现有技术中仅能够定位的缺点。而且，超短基线定位系统 的设备安装简单便捷，仅需一个体积不大的声基阵和一个应答器即可完成测距和测向功 能。
[0023]此外，为了提高精度，本发明考虑到通信延迟所带来的误差，为此，本发明采用卡 尔曼滤波器对延迟所带来的误差进行滤波，提高了精度。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实现时的示意图。
[0025]图2为本发明定位的系统流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0027] 本发明提供了一种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法，用超短基线定位系 统替代现有技术中倒转长基线水声定位系统，实现导航的目的。具体来说:现有技术中采用 的倒转长基线水声定位系统，其工作原理在于:首先获得从潜器与每个应答器之间所形成 的球面，之后，获得所有球面的交汇点，此交汇点，即为从潜器的位置。也就是说，现有技术 中所采用的倒转长基线水声定位系统，只能够获得当前从潜器的位置，而不能够实现对从 潜器位置的纠正;而对于超短基线定位系统来说，其工作原理为:超短基线定位系统的声基 阵即收发换能器向水下目标发送声信号，水下目标上安装有声学应答器，应答器收到超短 基线定位系统的声信号后发送应答信号。超短基线定位系统的声基阵通过测量声学信号的 来回时间来测得目标离声基阵的距离。
[0028] 不仅如此，现有技术中，还常会遇到下述问题:假设母船位于A点，而从潜器需要到 达B点；此时，位于从潜器上的控制单元将根据惯性测量单元（IMU)获得的结果进行航位推 算，获得一条从A点到达B点的航位推算轨迹。然而，由于IMU的测量精度不高，往往从潜器行 驶的实际轨迹与航位推算轨迹具有较大偏差。如果不对其进行校正，从潜器将会偏离航向， 进而影响正常工作。
[0029] 综上所述，本发明的主要思想则在于:采用超短基线定位系统替代倒转长基线水 声定位系统，解决安装繁琐的问题。此外，利用超短基线定位系统的工作原理，能够测量出 当t时刻时，从潜器与母船之间的实际距离信息和方位信息;值得注意的是:此时，控制单元 推算出的距离信息和方位信息与实际的距离信息和方位信息是具有较大误差的；为此，本 发明将实际的距离信息和方位信息转换成实际经炜度坐标信息后，结合选取的误差参量， 如从潜器在东，北，天方向的姿态误差角、刻度因素误差和炜度和从潜器的经度误差，输入 到卡尔曼滤波器进行滤波后，便能获得当前从潜器的实际位置，并将该实际位置发送到控 制单元，控制单元将以该位置重新作为起始位置推算一条新的航位推算轨迹，进而起到修