一种小型水下航行器用组合导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公布了一种小型水下航行器用组合导航系统及方法，本发明专利技术由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经组成，先通过故障诊断判断单个导航系统是否正常运行情况下，采用多级分多层结构，结合各导航传感器的特点，通过信息融合方法得到组合导航系统高精度的导航信息，提高组合导航系统精度；当有部分导航系统故障时，实现系统重构，仍然能使水下航行器继续工作，提高小型水下航行器用组合导航系统的可靠性和可用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种水下组合导航系统及方法，特别是一种适用于新一代国家海军水域作战用小型水下航行器组合导航系统及方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，现代战争对武器装备提出了更新、更高的要求，由于受水域 作战条件的限制，特种部队所使用的水下航行器不能够精确定位，极大地限制了作战性能 和效果。导航系统必须提供航行器长时间的精确姿态、航向、速度和位置信息，而且精确的 导航能力也是水下航行器有效应用和安全回收的一个关键技术。受到航行器自身体积、重 量、能源使用条件的限制及水介质的特殊性、军事隐蔽性等因素的影响，实现AUV的精确导 航是一项艰难的任务。 目前，国际上水下导航已由单一导航方式向高精度、高可靠、综合化、智能化的水 下航行器用组合导航系统发展；信息处理方法也由单一数据源的处理，向多导航传感器多 数据源的信息融合发展。总的来说，组合导航代表了未来水下导航的发展方向，克服了传统 导航的缺陷和不足，使水下导航领域呈现出崭新的面貌，具有无比广阔的发展前景。 随着多种水下导航系统的不断出现，导航系统从先前的比较简单的单个导航系 统，过渡到惯性导航系统、多普勒导航系统、航行器载传感器系统(测深测潜仪、磁航向传 感器、尾流计)、地形辅助导航系统、超短基线/长基线综合声纳导航定位系统组成的组合 导航系统。随着对组合导航系统的精度要求和使用条件的不断提高，同时也促进了信息融 合技术的发展。1994年美国开始研究水下航行器组合导航系统，把信息融合技术列为90年 代重点研究开发的二十项关键技术之一，且列为最优先发展的A类。美国三军政府组织-实 验室理事联合会(JDL)下设的C3技术委员会(TPC3)专门成立了信息融合专家组来组织和 指导有关的工作。可见，水下多传感器组合导航技术已经成为了高性能水下导航的一个越 来越重要的发展方向。 要使水下航行器用组合导航系统具有高精度、高可靠性和高可用性，必须使其具 有一个合理和高效的体系结构，实现对各导航系统调度、使用和融合。现有组合导航系统体 系结构主要采是集中式和分布式，集中式结构就是将所有导航系统的测量数据都送到一个 中心处理器进行处理和融合，进行数据对准、数据互联和滤波，这种结构需要频带很宽的数 据传输总线来传输高速率的原始数据，数据互联较困难，并且要求系统必须具备大容量的 能力，计算负担重，需要有较强处理能力的中央处理器，所以系统的生存能力差；现有分布 式结构主要采用联邦滤波结构，如图1所示，其特点是n个系统的测量信息在传送到主滤 波器之前，先送到局部滤波器进行局部滤波处理，然后把处理后的信息和参考导航系统信 息送至主滤波器形成全局估计，提高导航系统精度，虽然这种结构对信道容量要求较低，一 旦参考导航系统失效则整个导航系统失效。因此采用集中式或分布式体系结构，结合惯性 导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经特点组成水下航行器用组合导航 系统，无法满足适用于新一代海军水域作战用水下组合导航系统体系结构高精度、高可靠性和高可用性的需要。
技术实现思路
技术问题本专利技术目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种小型水下航行器用组 合导航系统及方法，可实现水下组合导航系统的高精度、高可靠性和高可用性。 技术方案本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案 本专利技术小型水下航行器用组合导航系统， 当系统发生故障时，所述导航系统由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形 辅助导航系统和磁罗经系统组成，还包括四个故障诊断及四个隔离模块；其中地形辅助导 航系统串接第一故障诊断模块后分别接第一隔离模块、捷联式惯性导航系统和多普勒导航 系统的输入端，磁罗经系统串接第二故障诊断模块后分别接第二隔离模块、捷联式惯性导 航系统和多普勒导航系统的输入端，捷联式惯性导航系统串接第三故障诊断模块后接第三 隔离模块，多普勒导航系统串接第四故障诊断模块后接第四隔离模块，第三故障诊断模块 与第四故障诊断模块连接； 当系统无故障时，则分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系 统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统即捷联式 惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统和多普勒导航系统/地形辅 助导航系统/磁罗经系统组合导航系统； (a)捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由捷 联式惯性导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法模块、两个子滤波 器和主滤波器组成，捷联式惯性导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入 端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法模块和主滤波器的输 入端，磁罗经系统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法模块和主滤波器的输入 端，主滤波器的输出端串接第一智能优化算法模块后接第一子滤波器的输入端，主滤波器 的输出端串接第二智能优化算法模块后接第二子滤波器的输入端，主滤波器的输出端接捷 联式惯性导航系统的输入端； (b)多普勒导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由多普勒导 航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法模块、两个子滤波器和主滤波 器组成，多普勒导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导 航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法模块和主滤波器的输入端，磁罗经系 统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法模块和主滤波器的输入端，主滤波器的输 出端串接第一智能优化算法模块后接第一子滤波器的输入端，主滤波器的输出端串接第二 智能优化算法模块后接第二子滤波器的输入端，主滤波器的输出端接多普勒导航系统的输 入端。 —种小型水下航行器用组合导航方法，采用多级分层信息融合方法完成小型水下 航行器用多级多层拓扑型体系结构的高精度组合导航系统，多级分层信息融合方法通过下 列步骤实现 (1)首先对各导航系统，即捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航 系统和磁罗经系统进行自身故障检测，当所述的系统出现故障，则隔离此系统；当所述的系统未出现故障，则转步骤(2); (2)分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系统，地形辅助导 航系统和磁罗经系统为子系统建立两个分散化组合导航系统，得到组合修正的惯性导航系 统和多普勒导航系统信息； (3)利用步骤(2)得到捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统信息，进行捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组合，采用捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组合滤波的信息融合模式，实现组合导航系统的第二级融合，得到组合导航信息输出。 所述的系统重构方法如下当地形辅助导航系统和磁罗经系统两个系统发生故障被隔离，捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组成组合导航系统；当出现捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统同时故障被隔离，磁罗经系统和地形辅助导航系统系统组合成组合导航系统，地形辅助导航系统提高位置信息和磁罗经提供的航向姿态信息计算航行器的导航信息，引导航行器安全航行；当捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统不同时故障，有两个导航系统发生故障被隔离，此时小型水下航行器用组合导航系统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统与地形辅助导航系统或磁罗经组成组合导航系统，进行导航；当捷联式惯性导航系统或多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型水下航行器用组合导航系统，其特征在于：当系统发生故障时，所述导航系统由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经系统组成，还包括四个故障诊断及四个隔离模块；其中地形辅助导航系统串接第一故障诊断模块后分别接第一隔离模块、捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的输入端，磁罗经系统串接第二故障诊断模块后分别接第二隔离模块、捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的输入端，捷联式惯性导航系统串接第三故障诊断模块后接第三隔离模块，多普勒导航系统串接第四故障诊断模块后接第四隔离模块，第三故障诊断模块与第四故障诊断模块连接；当系统无故障时，则分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统即捷联式惯性导航系统／地形辅助导航系统／磁罗经系统组合导航系统和多普勒导航系统／地形辅助导航系统／磁罗经系统组合导航系统；（ａ）捷联式惯性导航系统／地形辅助导航系统／磁罗经系统组合导航系统由捷联式惯性导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法模块、两个子滤波器和主滤波器组成，捷联式惯性导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法模块和主滤波器的输入端，磁罗经系统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法模块和主滤波器的输入端，主滤波器的输出端串接第一智能优化算法模块后接第一子滤波器的输入端，主滤波器的输出端串接第二智能优化算法模块后接第二子滤波器的输入端，主滤波器的输出端接捷联式惯性导航系统的输入端；（ｂ）多普勒导航系统／地形辅助导航系统／磁罗经系统组合导航系统由多普勒导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法模块、两个子滤波器和主滤波器组成，多普勒导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法模块和主滤波器的输入端，磁罗经系统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法模块和主滤波器的输入端，主滤波器的输出端串接第一智能优化算法模块后接第一子滤波器的输入端，主滤波器的输出端串接第二智能优化算法模块后接第二子滤波器的输入端，主滤波器的输出端接多普勒导航系统的输入端。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王其，王春燕，徐晓苏，张自嘉，杨常松，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]