一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，由捷联惯性导航系统SINS和超短基线系统USBL组成，超短基线系统由安装在AUV上的水听器接收基阵和布放在海底的声源组成，由声波到达基阵中心水听器的传播时间计算出斜距，通过频域加权互相关得到声波到达基阵坐标轴上两个水听器的时延差，从而计算出到达距离差，USBL输出的斜距和到达距离差与SINS计算出的斜距和到达距离差进行滤波，滤波输出再反馈校正SINS。本发明专利技术解决SINS长时间位置误差积累的问题，USBL采用斜距和到达距离差与SINS计算的斜距和到达距离差进行紧组合，避免USBL直接解算位置带来的坐标转换误差和基阵偏移误差，提高AUV的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法
本专利技术属于水下导航技术，具体涉及一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法。
技术介绍
海洋已经成为了21世纪乃至以后各国激烈角逐的主要战场，而AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)无疑是未来开发海洋资源和拓展海洋军事领域的必不可缺的工具。AUV在民用领域的应用主要体现在可以进行海洋环境的考察、海底矿产、生物资源的勘探、海事救援、海洋考古及海底光缆或其他工程项目的建设和维护等领域；在军事领域的应用，归结起来大体分为五个方面：水雷对抗、情报搜集、海洋环境监测、通信中继及其他军事领域的应用。正是由于AUV如此广泛的应用，它被称为现代海军的“力量倍增器”，引起各国极大地重视。水下高精度导航和定位技术是解决水下作业的前提和关键，为保证AUV能够顺利的完成水下的相关任务，要求AUV导航系统具有水下长期自主的导航定位和返航能力。目前已有的定位技术中，惯性导航系统(SINS)因其隐蔽性强和自主性在水下航行器中得到广泛应用，虽然惯导技术本身已日渐成熟，但其误差会随着时间积累，因此，伴随惯导技术发展的同时，世界各国都一直在探索惯导系统的校准方法。LBL(LongBaseLine，长基线)水声定位系统通常是由基线长度为几千米的海底应答器阵和被定为载体上的问答机组成，利用水下目标与海底阵元之间的距离信息来求解目标位置，但是水下布放、回收、校准基阵比较麻烦，且数据更新频率较低，作业复杂。超短基线只有一个尺寸很小的基阵安装在载体上，无需布放基阵，使用比较灵活和方便。对超短基线声学定位系统研究较早的是挪威的KongsbergSimrad公司，该公司于1997年推出了世界领先水平的高精度长程超短基线定位系统—HiPAP35O，作用距离可达3000米，距离测量精度优于20cm，随后推出HiPAP500，作用水深达4000m，测距精度优于20cm；新近推出的HiPAPP700，作用水深达10000米，测距精度优于50cm，也是世界上唯一工作水深上万米的长程超短基线定位系统。另外，法国OCEANOTechnologies公司推出的Posidonia6000长程超短基线定位系统，工作水深6000m，最大作用距离8000m，在6000m水深300度开角范围内，测距精度为0.5％，询问频率为8-14kHZ，应答频率为14-18kHz，该系统已经成功推向市场。由于国内对AUV技术开始研究的时间较晚，与欧美等发达国家相比，在很多方面都存在着不足。但随着不断的投入也取得了很大的进展。国内具有代表性的水声定位系统是哈尔冰工程大学水声工程学院研制出了四种基于声学定位的系统：深水重潜装潜水员超短基线定位系统、“探索者”号水下机器人超短基线定位系统，灭雷具配套水声跟踪定位装置、长程超短基线定位系统。超短基线系统主要通过测距和侧向能力计算出AUV相对于声源的相对位置，再利用姿态传感器测得姿态角，通过坐标变换得到AUV的绝对地理坐标，由该位置来修正惯导的位置误差，即采用松组合导航方式。但是，由于超短基线系统在直接解算位置时，会引入坐标转换误差和基阵偏移误差，使得超短基线定位精度不高，无法保证组合导航系统的定位精度。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法。技术方案：本专利技术所述的一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于：通过将捷联惯性导航系统SINS和超短基线系统USBL组合，进而利用卡尔曼滤波方法完成组合导航，其具体步骤如下：(1)超短基线由安装在AUV上的5个十字形水听器基阵和布放在海底的声源组成，水听器0安装在基阵中心原点，水听器1和水听器3安装在X轴上且距离为d13，水听器2和水听器4安装在Y轴上且距离为d24，水听器基阵接收声源的信号，通过同步时钟得到声波到达水听器基阵中心水听器0的传播时间，通过频域加权互相关分别得到声波到达水听器基阵X和Y坐标轴上两个水听器的时延差；(2)根据得到的传播时间和时延差，计算得到USBL的斜距与到达距离差；(3)根据步骤(3)所得位置信息P_SINS和海底声源位置信息，计算出SINS的斜距与到达距离差；(4)根据位置信息P_SINS和海底声源位置信息，计算得到SINS的斜距与到达距离差；(5)将USBL的斜距和到达距离差与SINS的斜距和到达距离差位置进行卡尔曼滤波，滤波输出校正SINS位置输出。2、根据权利要求1所述的基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中频域加权互相关获取时延差通的具体步骤为：(11)设定海底声源的发射信号为x(t),t为时间，第i个水听器接收到的信号为xi＝aix(t-τi)+ni(t)，第j个水听器接收到的信号为xj＝ajx(t-τj)+nj(t)，其中ai,aj为声信号在水中传播的衰减系数，ni(t),nj(t)为噪声信号，τi,τj为传播时间，i，j取值组合为(1，3)和(2,4)；(12)xi和xj的互相关函数为其中，τ＝τi-τj表示两个声波的到达时间差，T表示观测时间；(13)根据维纳-辛钦定理，互功率谱和互相关函数之间关系为：Gij(ω)是xi和xj之间的互功率谱，ω为频率；(14)选择频域加权函数对信号进行加权滤波，以此来抑制噪声的影响，再利用傅里叶逆变换到时域得到广义互相关函数，即：(5)找出相关峰函数图像最大值对应的横坐标，对应的横坐标值为时延差τ。3、根据权利要求1所述的基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体步骤如下：(21)声学基阵由安装在基阵中心和坐标轴上的5个十字形水听器基阵组成，海底声源地理坐标已知；(22)由声波到达基阵中心水听器0的传播时间t，可得USBL斜距为RUSBL＝ct，c为水中声速；(23)由时延差τ计算USBL到达距离差为△RUSBL13＝cτ13，△RUSBL24＝cτ24，τ13为声源信号到X轴水听器1和水听器3之间的时延差，τ24为声源信号到Y轴水听器2和水听器4之间的时延差。4、根据权利要求1所述的基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体步骤为：(41)假设水听器基阵安装位置所在的坐标系为载体坐标系，已知水下声源的绝对地理坐标参考位置是Pre(XreYreZre)，水听器1到水听器4在载体坐标系下的位置分别是(42)由捷联惯性导航系统解算的水下航行器位置为PSINS(XSINSYSINSZSINS)；由坐标转换关系可得水听器1在导航坐标系下的位置为PSINS1(XSINS1YSINS1ZSINS1)；其中，Cij为载体坐标系到导航坐标系的变换矩阵中的元素；同理可得其他水听器在导航坐标系下的位置分别为：PSINS2(XSINS2YSINS2ZSINS2)；PSINS3(XSINS3YSINS3ZSINS3)；PSINS4(XSINS4YSINS4ZSINS4)；(43)根据变换的位置信息和海底声源位置信息，可得SINS的斜距与到达距离差为：有益效果：本专利技术通过超短基线系统测量斜距和到达距离差，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于：通过将捷联惯性导航系统SINS和超短基线系统USBL组合，进而利用卡尔曼滤波方法完成组合导航，其具体步骤如下：(1)超短基线由安装在AUV上的5个十字形水听器基阵和布放在海底的声源组成，水听器0安装在基阵中心原点，水听器1和水听器3安装在X轴上且距离为d

【技术特征摘要】
1.一种基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于：通过将捷联惯性导航系统SINS和超短基线系统USBL组合，进而利用卡尔曼滤波方法完成组合导航，其具体步骤如下：(1)超短基线由安装在AUV上的5个十字形水听器基阵和布放在海底的声源组成，水听器0安装在基阵中心原点，水听器1和水听器3安装在X轴上且距离为d13，水听器2和水听器4安装在Y轴上且距离为d24，水听器基阵接收声源的信号，通过同步时钟得到声波到达水听器基阵中心水听器0的传播时间，通过频域加权互相关分别得到声波到达水听器基阵X和Y坐标轴上两个水听器的时延差；(2)根据得到的传播时间和时延差，计算得到USBL的斜距与到达距离差；(3)捷联惯性导航系统SINS通过捷联解算得到自主水下航行器AUV的位置信息P_SINS；(4)根据步骤(3)所得位置信息P_SINS和海底声源位置信息，计算出SINS的斜距与到达距离差；(5)将USBL的斜距和到达距离差与SINS的斜距和到达距离差位置进行卡尔曼滤波，滤波输出校正SINS位置输出。2.根据权利要求1所述的基于SINS/USBL紧组合的AUV水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中频域加权互相关获取时延差通的具体步骤为：(11)设定海底声源的发射信号为x(t),t为时间，第i个水听器接收到的信号为xi＝aix(t-τi)+ni(t)，第j个水听器接收到的信号为xj＝ajx(t-τj)+nj(t)，其中ai,aj为声信号在水中传播的衰减系数，ni(t),nj(t)为噪声信号，τi,τj为传播时间，i，j取值组合为(1，3)和(2,4)；(12)xi和xj的互相关函数为其中，τ＝τi-τj表示两个声波的到达时间差，T表示观测时间；(13)根据维纳-辛钦定理，互功率谱和互相关函数之间关系为：ω为频率，Gij(ω)是xi和xj之间的互功率谱；(14)选择频域加权函数对信号进行加权滤波，以此来抑制噪声的影响，再通过傅里叶逆变换到时域得到广义互相关函数，即：(5)找出相关峰函数图像最大值对应的横坐标，对应的横坐标值为时延差τ。3.根据权利要求1所述的基于SINS/USBL紧组合的AUV水下...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，胡贺庆，朱永云，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32