深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法技术方案

本发明专利技术公开了一种深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，属于水下导航定位技术领域。深海潜器根据不同工作需求可以进行高精度和低精度工作状态切换，状态信息可以直接传递给下一状态，但由于系统采用惯性导航解算，误差会不断累积。为解决误差累积问题，本发明专利技术建立自适应神经模糊系统(ANFIS)对GPS和INS数据进行融合，当深海潜器浮至水面接收GPS信号时，采用GPS数据和INS数据对ANFIS进行训练，建立INS解算位置与GPS定位之间的误差关系；当深海潜器潜入水下进行工作时，利用INS数据和ANFIS训练过的数据进行位置解算。ANFIS实现思路清晰，可以有效解决GPS信号在水下失锁的问题，大幅提升深海潜器导航系统在水下工作时的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法
本专利技术属于导航
，具体涉及一种深海潜器导航系统和用于深海潜器状态切换的数据融合方法。
技术介绍
深海潜器在实际工作中需要同时考虑精度和能耗这两个条件，高精度工作状态下，系统启用的传感装置较多，算法复杂度较高，精度提升的同时也带来了较大的能耗；低精度工作状态下，系统启用极少传感装置以完成基本状态解算，算法简单，精度较低的同时能耗也处于一个较低水平。因此，深海潜器需要结合实际工作需求随时切换自己的工作状态。深海潜器进行状态切换时，当前工作状态的位置信息有效传递给下一状态可以最大化保证深海潜器的工作精度。但由于深海潜器的工作环境的限制，GPS在水下及其容易遇到失锁的情况，因此系统不论是处于高精度工作状态还是低精度工作状态，通常都使用自主性较强的惯性测量元件IMU作为导航元件，而IMU自身存在一些固有误差，加上噪声影响，工作时会产生非静态的随机误差，并且这些误差会不断累积，导致深海潜器在水下的位置估计失准。若将这些误差较大的位置信息进行传递，对提升深海潜器的工作精度不利。因此，还需要考虑在状态切换情况下如何减少IMU的各项误差导致的导航偏差。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的问题，本专利技术提出一种深海潜器导航系统，其包含低精度工作状态与高精度工作状态，能够根据需求随时切换自己的工作状态。本专利技术的另一目的在于提供一种用于深海潜器状态切换的数据融合方法，在每次状态切换过程中利用GPS位置数据对惯性导航系统INS位置数据进行校正融合，提升对深海潜器位置估计的精度。技术方案：为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种深海潜器导航系统，具有低精度和高精度两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换，该导航系统包括：微机电系统惯性测量单元、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理模块，其中，微机电系统惯性测量单元集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于低精度工作状态下的数据采集工作；光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，用于高精度工作状态下的运动数据采集工作；全球卫星定位系统接收模块用于接收GPS信号，并传入数字信号处理模块进行运算；三轴磁力计和三维电子罗盘分别用于低精度和高精度工作状态下辅助微机电系统惯性测量单元进行航向信息的校正；深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息；数字信号处理模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。进一步地，数字信号处理模块完成导航系统在不同工作状态下的导航解算，当系统状态切换时，数字信号处理模块负责姿态、位置信息的传递以及利用GPS信号对姿态、位置的校正融合，最终实现姿态、位置数据的输出。进一步地，导航系统在低精度工作状态下启用微机电系统惯性测量单元与三轴磁力计；在高精度工作状态下启用光纤惯性传感器、三维电子罗盘和深度计。一种用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，包含以下步骤：1)当深海潜器导航系统需要进行状态切换时，首先浮至水面接收GPS信号，利用GPS信号和INS数据对ANFIS进行训练，建立GPS定位与INS解算位置之间的误差关系，并利用GPS信号与INS数据的差量对INS解算结果进行校正输出，完成深海潜器导航系统在水面的位置解算；2)当深海潜器导航系统重新进入水下工作时，利用训练过的ANFIS预测误差对INS解算进行校正，得到水下工作状态的位置估计。进一步地，ANFIS的训练过程包括：确定长度为w(根据经验决定)个时刻的窗口，在这w个时刻内同时接收INS数据和GPS数据，其中INS数据需要进一步解算成地心坐标系中X,Y,Z三个方向位置的信息；将INS解算的位置数据和GPS位置数据的差量作为ANFIS的输入，将由INS解算的位置信息与真实位置信息的误差作为ANFIS的输出响应，在采集w个样本信号的过程中对ANFIS的输入和输出不断进行更新，最终ANFIS的均方根误差小于某一个设定的阈值才能进行w+1时刻的样本信号采集。有益效果：1、本专利技术的深海潜器导航系统具有两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换。在低精度工作状态下使用微机电系统惯性测量单元来采集运动数据，在高精度工作状态下启动光纤惯性传感器采集数据，光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，能够精确地确定系统的方位，提高工作精度。2、深海潜器根据不同工作需求进行状态切换时，状态信息可以直接传递给下一状态，但由于系统采用惯性导航解算，误差会不断累积。为解决误差累积问题，本专利技术建立自适应神经模糊系统，在状态切换时利用GPS信号和INS数据进行训练，建立INS与GPS之间的误差关系，处于水下工作状态时利用误差关系对INS解算数据进行校正融合，最终实现深海潜器长航时、高精度、高稳定性的工作性能。附图说明图1是本专利技术的深海潜器导航系统的工作示意图；图2是ANFIS训练过程示意图；图3是ANFIS预测过程示意图。图4是ANFIS结构图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。如图1所示，一种深海潜器导航系统包括微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统(GPS)接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理(DSP)模块。微机电系统惯性测量单元MEMS-IMU采用惯性传感器，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于采集运动数据。光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，也用于采集运动数据。GPS接收模块用于接收GPS信号，并传入DSP模块进行运算。三轴磁力计和三维电子罗盘采用冗余设计，用于辅助IMU进行航向信息的校正。深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息，以判断深海潜器是否浮出水面。DSP模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。深海潜器导航系统包含低精度工作状态与高精度工作状态，当深海潜器处于复杂环境中或者执行高精度任务时，系统切换至高精度工作状态以获取较准确的姿态、位置数据；当深海潜器处于休眠状态或执行低精度任务时，系统切换至低精度工作状态。低精度工作状态下，启用MEMS惯性传感器采集数据，三轴加速度计和三轴陀螺仪测量系统的姿态和速度，并用三轴磁力计辅助校正航向，系统功耗较低。高精度工作状态下，启用以光纤陀螺为核心的光纤惯性传感器采集运动数据，可以得到系统的姿态和速度，并用三维电子罗盘辅助校正航向，使用深度计测量垂直位置，系统功耗较高。当系统状态切换时，DSP模块负责姿态、位置信息的传递以及利用GPS信号对姿态、位置的校正融合，最终实现姿态、位置数据的输出。以上描述了导航系统的结构和工作方式，在此基础上，导航系统状态切换时数据融合方法的思路如下：在深海潜器导航系统状态切换过程中对深海潜器的位置进行校正，并利用INS数据和GPS数据对自适应神经模糊系统进行训练，为水下工作时的位置估计提供预测校正服务。下面描述具体实现过程。由于GPS信号在水下无法传输，因此深海潜器只有在水面时才能利用GPS信号对自身位置进行校正。因此考虑建立自适应神经模糊系统(ANFIS)，在可以接收GPS信号时对系统进行训练，在水下无法接收GPS信号时利用系统训练结果对INS数据进行校正，尽可能利用精准的GPS数据来提升系统位置的解算精度。进一步地，状态切换过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深海潜器导航系统，其特征在于，具有低精度和高精度两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换，该导航系统包括：微机电系统惯性测量单元、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理模块，其中，所述微机电系统惯性测量单元集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于低精度工作状态下的数据采集工作；所述光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，用于高精度工作状态下的运动数据采集工作；所述全球卫星定位系统接收模块用于接收GPS信号，并传入数字信号处理模块进行运算；所述三轴磁力计和所述三维电子罗盘分别用于低精度和高精度工作状态下辅助微机电系统惯性测量单元进行航向信息的校正；所述深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息；所述数字信号处理模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。

【技术特征摘要】
1.一种深海潜器导航系统，其特征在于，具有低精度和高精度两种不同精度的工作状态并且两种工作状态可以互相切换，该导航系统包括：微机电系统惯性测量单元、光纤惯性传感器、全球卫星定位系统接收模块、三维电子罗盘、三轴磁力计、深度计、数字信号处理模块，其中，所述微机电系统惯性测量单元集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，用于低精度工作状态下的数据采集工作；所述光纤惯性传感器以光纤陀螺为核心，用于高精度工作状态下的运动数据采集工作；所述全球卫星定位系统接收模块用于接收GPS信号，并传入数字信号处理模块进行运算；所述三轴磁力计和所述三维电子罗盘分别用于低精度和高精度工作状态下辅助微机电系统惯性测量单元进行航向信息的校正；所述深度计用来测量深海潜器的垂直方向的位置信息；所述数字信号处理模块完成所有的数据处理、传输工作从而实现导航解算和状态切换。2.根据权利要求1所述的一种深海潜器导航系统，其特征在于，所述数字信号处理模块完成导航系统在不同工作状态下的导航解算，当系统状态切换时，数字信号处理模块负责姿态、位置信息的传递以及利用GPS信号对姿态、位置的校正融合，最终实现姿态、位置数据的输出。3.根据权利要求1所述的一种深海潜器导航系统，其特征在于，所述导航系统在低精度工作状态下启用微机电系统惯性测量单元与三轴磁力计；在高精度工作状态下启用光纤惯性传感器、三维电子罗盘和深度计。4.一种用于深海潜器状态切换的位置数据融合方法，其特征在于，包含以下步骤：1)当深海潜器导航系统需要进行状态切换时，首先浮至水面接收GPS信号，利用GPS信号和IN...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙源，邵鑫，王俊玮，方琳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32