一种基于单浮标的无源水下导航方法技术

本发明专利技术一种基于单浮标的无源水下导航方法，包括：单浮标释放前与水下平台之间的时钟位置同步；单浮标上浮过程中记录惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置、时间推移量、时钟校正量，并连同求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送；水下平台接收并解算，对水下平台位置及时间进行修正校准；建立定位授时模型；反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；进行水下平台当前位置解算以及位置预测。本发明专利技术提供具有保持静默及隐蔽性特点的自身位置高精度校准导航授时服务，实现水下用户无源水下定位导航。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单浮标的无源水下导航方法
本专利技术属于水下导航
，涉及一种基于单浮标的无源水下导航方法。
技术介绍
近年来，随着各国向水下导航领域进军，无论是对海洋的和平开发利用，还是海底打捞救助，都以水下信息化为基础，并对信息的远距离传播、信息传播的快速性、传播手段的多样性以及传播精度等提出越来越高的要求。在对水下目标保护情况下，有源定位容易暴露自身位置，必须采用无源定位保证水下潜器等水下平台实现水下隐蔽导航定位的能力。现有国内水下潜器主要依靠惯性导航结合外校正信息组成的组合导航系统，采用卫星定位手段为主、辅以天文定位手段校正惯导的基本思路。由于此种导航方式要求水下平台需定期浮出水面进行位置校正，从而难以满足潜器等水下平台在水下长期高精度隐蔽导航定位的需求。本定位导航方法可在水下平台需要校准位置时抛出自身携带的单浮标，单浮标浮到水面后接收卫星导航信息实现时间位置校准，再将时间位置误差发送给水下平台，水下平台结合自身装载的惯导设备导航信息和浮标发送的位置时间误差，解算自身位置以及校准自身位置，从而能够实现水下平台长时间远距离航行对导航授时的需求。目前尚没有利用水下平台抛弃单浮标，再利用单浮标单方向发送时间位置误差信息来修正水下平台位置的导航方法。但有若干文献是采用多浮标给水下平台进行定位的，比如专利《一种基于DGPS浮标的水下定位导航系统和方法》(CN201410073253.1)，专利《无高稳定频标的水下GPS定位导航方法及其系统》(CN200310118440.9)。文献《GPS浮标_SINS组合水下导航与定姿若干问题讨论》，该方法利用GPS浮标的绝对定位信息通过声信号传输给水下平台定位，再结合惯性导航设备进行融合解算。文献《一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法》该方法利用AUV导航天线和GIS进行基于超短基线原理的距离和角度的多次测量信息，结合系统状态方程和量测方程，应用卡尔曼滤波估计出AUV天线上的水听器位置，进而实现AUV导航定位，但该方法需要AUV发送应答信号，隐蔽性差，而且需要提前进行超短基线校准，工程实现难度较大。文献《AUV拖曳GPS浮标系统仿真研究》，该方案虽然可以保证AUV运行过程的隐蔽性，但由于AUV的尾端连接点受到拖缆张力的作用，会对AUV的运动产生一定影响，使得AUV必须消耗一定能量克服拖缆对其的张力，从而导致AUV航程减小。上述文献中单浮标时刻跟随水下平台运动，能量消耗以及隐蔽性都不太理想，针对水下平台在需要位置校准的时候抛弃单浮标，利用单浮标单向发送调制位置时间校正量的水声信号进行定位授时的研究，尚未见公开文献发表。
技术实现思路
专利技术所要解决的课题是，克服现有技术的不足，提出了一种基于单浮标的无源水下导航方法，该方法能够实现水下平台长航时隐蔽性高精度定位导航。本方法可在水下平台需要校准位置时抛出自身携带的单浮标，单浮标接收GNSS导航信息实现定位，单浮标将位置时间误差发送给水下平台，水下平台结合自身装载的惯导设备导航信息和浮标发送的位置时间误差，解算自身位置以及实现自身位置修正校准。用于解决课题的技术手段是，本专利技术提出一种基于单浮标的无源水下导航方法，包括以下步骤：步骤1、单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将当前同步时刻标记为t0；步骤2、单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置、时钟校正量，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送，其中时标信息就是t0+δt0，时钟校正量δt0是浮标上面的时钟通过GPS授时后得到的时钟误差，这里假设前提是:浮标上浮时间特别短，上浮过程的时间忽略；步骤3、水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准。具体地，由于释放浮标前，水下平台的位置一直都是由水下平台上的惯导校准的，但是惯导长时间漂移太大，误差太大，所以释放浮标时记录的水下平台的初始位置是不准确的，故需要把浮标抛到水面进行校准一下，然后反推水下平台的初始位置。此处的解算例如可以是指水下平台上面的惯导解算；步骤4、建立定位授时模型，其以单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、时间推移量、时钟校正量，及水下平台的位置移动量和时间推移量为输入，以水下平台当前时刻校正后的位置和时间为输出，其中水下平台的位置移动量和时间推移量可以由水下平台上面的惯导数据得到，为此浮标上也可以携带一个微型惯导；步骤5、根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、求出的上浮过程中单浮标的位移量反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；步骤6、根据所得水下平台初始位置和解算出的水下平台的位置移动量和时间推移量，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测，其中将已知的参数带入到定位授时模型，以得到当前水下平台的位置和位置预测。d进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤2中由惯导观测数据通过INS解算求出上浮过程中单浮标的位移量。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤3中水下平台接收到单浮标发送的水声信号采用M元差分扩频编码体制调制生成。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4建立的定位授时模型，具体为：x＝x0+δx0+dxy＝y0+δy0+dyz＝z0+δz0+dzt＝t0+δt0+dt其中，(x,y,z,t)为水下平台当前时刻校正后的位置和时间。如本文所述，本申请的整套系统就是通过浮标发回的位置来对水下平台位置进行校准修正；(x0,y0,z0)为单浮标上浮后的浮标GNSS位置；(δx0,δy0,δz0)为单浮标上浮过程中的位移量；t0为单浮标与水下平台的时间同步时刻；δt0为单浮标利用GNSS授时后求得的时钟改正量；(dx,dy,dz,dt)为浮标释放时刻至浮标定位信号接收时刻，水下平台的位置移动量以及时间推移量。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤5中反推求解单浮标释放时刻的初始位置，具体为：对上浮过程中单浮标的惯导观测数据根据时间逆序排列，并将陀螺仪三轴数据取反，其次将加速度反向，得到修正后的反向惯导观测数据；利用单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置和修正后的反向惯导观测数据求解得到单浮标释放时刻的初始位置。专利技术效果为：本专利技术的基于单浮标的无源水下导航方法，该水下无源导航方法采用抛弃式单浮标对水下平台进行定位导航授时。该方法通过释放到水面的单浮标向水下发射经过调制的声波信号，浮标的位置采用GNSS自主获取，水下平台上的声波信号接收机通过接收处理水面浮标发射的声波信号，并结合惯导、测深仪数据实现自身时间和位置的校准。因此，本专利技术与传统技术相比的有益效果为：(1)本专利技术方法中利用INS/被动声学组合导航手段，与传统的INS/声学组合导航手段不同的是，该方法中仅通过水声信号进行位置时间校正量的传输，对水下平台进行位置时间校准，而非直接利用水声声信号对水下平台进行定位，具有通信导航信号一体化的优势。(2)本专利技术方法中水下平台需要校准位置时才抛弃单浮标，单浮标通过水声信号发送给水下平台信息是水下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将当前同步时刻标记为t0；步骤2、单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置、时钟校正量，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送；步骤3、水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准；步骤4、建立定位授时模型，其以单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、时间推移量、时钟校正量，及水下平台的位置移动量和时间推移量为输入，以水下平台当前时刻校正后的位置和时间为输出；步骤5、根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、求出的上浮过程中单浮标的位移量反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；步骤6、根据所得水下平台初始位置和解算出的水下平台的位置移动量和时间推移量，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测。

【技术特征摘要】
1.一种基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、单浮标释放前，在水下平台内部上电完成与水下平台之间的时钟位置同步，将当前同步时刻标记为t0；步骤2、单浮标上浮过程中记录其上搭载的惯导设备获得的惯导观测数据，在到达水面后再利用搭载的GNSS接收机完成自身位置确定与授时，得到单浮标完成定位时刻的时标信息、上浮后对应的浮标GNSS位置、时钟校正量，并连同利用惯导观测数据求出上浮过程中单浮标的位移量一并通过调制成水声信号对外发送；步骤3、水下平台接收并解算单浮标发送的水声信号中携带的信息，对水下平台位置及时间进行修正校准；步骤4、建立定位授时模型，其以单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、时间推移量、时钟校正量，及水下平台的位置移动量和时间推移量为输入，以水下平台当前时刻校正后的位置和时间为输出；步骤5、根据单浮标上浮后对应的浮标GNSS位置、求出的上浮过程中单浮标的位移量反推求解单浮标释放时刻的初始位置并将其作为水下平台初始位置；步骤6、根据所得水下平台初始位置和解算出的水下平台的位置移动量和时间推移量，通过定位授时模型进行水下平台当前位置解算以及位置预测。2.根据权利要求1所述基于单浮标的无源水下导航方法，其特征在于，所述步骤2中由惯导...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玲玲，张爽娜，董启甲，李东俊，曹建平，王盾，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11