海底油气管检测机器人的组合导航定位系统及方法技术方案

本发明专利技术属于导航技术领域，提供海底油气管检测机器人的组合导航定位系统及方法，主要由差分GPS系统、超短基线定位系统(USBL)、捷联惯导系统(SINS)、多普勒计程仪(DVL)等组成：差分GPS系统精确定位水面艇的地理位置坐标；超短基线定位系统确定水下无人航行器相对于水面无人艇的三维矢量位置；捷联惯导系统检测水下无人航行器实时航向和姿态；多普勒计程仪检测水下无人航行器运行的绝对速度。SINS与DVL组合实现水下无人航行器短时的高精度定位，差分GPS和USBL组合实现水下无人航行器绝对定位；实现水下无人航行器长航时、长航程的高精度定位，提供准确的位置信息。本发明专利技术还提供多种导航仪器的组合定位方法，为水下高精度组合导航提供了解决方法。

Integrated Navigation and Location System and Method of Submarine Oil and Gas Pipe Detection Robot

【技术实现步骤摘要】
海底油气管检测机器人的组合导航定位系统及方法
本专利技术属于导航
，具体涉及海底油气管检测机器人的组合导航定位系统及方法。
技术介绍
海底管道作为重要的海上油气田生产设施，一旦发生泄漏或破坏，轻则导致资源浪费，重则会因为原油或天然气的泄漏而导致爆炸，造成人员伤亡和财产损失。因此海底油气管检测具有重要意义，无论是从经济发展还是环境保护的角度出发都应该予以高度重视。海底油气管检测机器人就是以水下机器人作为载体，搭载多种专业的检测设备，用来对船舶等作业平台加以支持，顺利完成对海底管线的检测。随着海底油气管检测机器人向大深度、多功能、长时间的实际工程应用趋势发展，仍有一些关键问题需要研究和解决。其中水下导航技术对于水下机器人的发展尤为重要，水下导航定位系统能够准确提供海底油气管检测机器人的具体位置，将海底管线的具体路线和位置以及检测作业的所有具体情况加以记录，同时也能够通过定位系统给作业船提供作业信息，水下定位系统的精确程度和稳定程度对海底油气管检测作业的顺利完成具有关键作用。目前成熟的水下组合导航方式主要为捷联惯性导航系统(SINS)与GPS卫星导航系统、多普勒计程仪(DVL)组合导航，但是这种方式需要海底油气管检测机器人不断浮出水面通过GPS进行位置校正，严重限制海底油气管检测的效率。因此，有必要研究一种使海底油气管检测机器人能够在水下长期航行，无需浮出水面进行校正的组合导航定位系统。最近几年，国内外学者对超短基线定位系统(USBL)辅助惯性导航系统定位做了一些深入的研究。M.Morgado等创造性的提出了一种超短基线定位系统与捷联惯性导航系统的紧组合导航定位算法；GengY等提出了一种基于USBL/INS紧组合导航新颖的滤波算法，称之为HDEKF；国内对超短基线定位系统与捷联惯性导航系统的组合导航研究较少，李守军等人提出了INS/USBL水下组合导航系统模型，海试试验结果表明USBL系统能够修正INS的位置误差，证明了模型了正确性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供实现海底油气管检测机器人长航时、长航程的高精度自主导航定位的海底油气管检测机器人的组合导航定位系统及方法，为海底油气管检测和修复作业提供保障。本专利技术是这样实现的：海底油气管检测机器人的组合导航定位系统,该系统由卫星1、差分GPS系统2、水面艇3、超短基线定位系统USBL4、水下无人航行器5，电缆6、捷联惯导系统SINS7、多普勒计程仪DVL8组成，可分为水面导航、水面艇辅助水下航行器位置定位和水下导航三个部分。水面导航部分由卫星1、水面艇3、接收天线11、基准站12、发射电台13组成，水面艇辅助水下航行器位置定位部分由差分GPS系统2、应答器9、声基阵10组成，水下导航部分由超短基线定位系统USBL4、捷联惯导系统SINS7、多普勒计程仪DVL8组成。超短基线定位系统USBL4包括应答器9、声基阵10，超短基线定位系统USBL4的发射基阵和接收基阵固定在换能器中，组成声基阵10。海底油气管检测机器人的组合导航定位方法，包括以下步骤：(1)差分GPS系统2得到船体的精确位置，计算出声基阵的位置、姿态和船舷向：对基准站12进行精确测量定位；基准站12利用接收天线11，估算每一颗卫星测量中缓慢变化的误差分量，形成对卫星1的测量修正；再通过发射电台13广播给水面艇3；(2)水面艇辅助水下航行器位置定位：精确测定声基阵10中声单元之间的相互位置，构建声基阵坐标系；应答器9测量声单元的相位差，得到应答器在声基阵坐标系中的方位，计算声基阵10与水下无人航行器5之间的相对距离，得到水下无人航行器5的相对位置；应用坐标系变换得到水下无人航行器5的绝对位置；(3)水下导航部分，捷联惯导系统SINS7作为组合导航定位系统的主系统，用于提供海底油气管检测机器人的三维姿态、速度和位置信息；多普勒计程仪DVL8和超短基线定位系统USBL4作为辅助系统，分别与捷联惯导系统SINS7构成导航子系统，采用联邦滤波技术中的无复位式结构模型设计组合导航系统，通过全局信息融合，得到系统状态的全局最优估计，利用获得的状态全局最优估计值对捷联惯导系统的误差进行实时校正，并将校正后的捷联惯性导航系统输出作为组合导航系统的输出。(3.1)多普勒计程仪DVL8和捷联惯导系统SINS7组成SINS/DVL导航子系统，该子系统采用速度组合模式，利用SINS解算得到的地理坐标系下的速度与DVL转换后的地理坐标速度作差，将速度差值作为滤波过程的量测量，通过滤波器得到精确的导航定位信息；(3.2)超短基线定位系统USBL4和捷联惯导系统SINS7组成SINS/USBL导航子系统，该子系统采用位置组合模式，将SINS输出的地理坐标系下的位置信息与USBL转换后的地理坐标系下的位置信息的差值作为量测值，然后进行滤波得到状态的最优估计值，利用该估计值对SINS三维误差进行修正；(3.3)采用联邦滤波技术中的无复位式结构模型设计SINS/DVL/USBL组合导航系统，通过全局信息融合，得到系统状态的全局最优估计，利用获得的状态全局最优估计值对捷联惯导系统SINS7的误差进行实时校正，并将校正后的捷联惯导系统SINS7输出作为组合导航系统的输出，包括载体的姿态、速度及位置等导航信息。其中：步骤(3.1)的具体运算方法为：对于SINS/DVL导航子系统，取东北天坐标系为导航坐标系，将SINS的位置误差(δLδλδh)、速度误差(δVEδVNδVU)、姿态角误差(φeφnφu)，加速度计零偏和陀螺常值漂移(εxεyεz)作为该子系统的状态变量，即：X＝[δLδλδhδVEδVNδVUφeφnφuεxεyεz▽x▽y▽z]得到系统的模型为：Xk＝Fk-1Xk-1+Wk-1Zk＝HkXk+Vk其中，F为系统矩阵，H为量测矩阵，W为包括加速度计零偏和陀螺仪常值漂移的系统过程噪声，V为量测噪声；该子系统的观测量为：δVE,δVN,δVU为SINS在东北天坐标系下测量的的东、北、天向速度信息，δVE-DVL，δVN-DVL，δVU-DVL为DVL输出的东、北、天向速度信息。步骤(3.2)的具体运算方法为：对于SINS/USBL导航子系统，状态向量的选取和状态方程的建立同SINS/DVL导航子系统：X＝[δLδλδhδVEδVNδVUφeφnφuεxεyεz▽x▽y▽z]该子系统的模型为：Xk＝Fk-1Xk-1+Wk-1Zk＝HkXk+Vk观测量为：δL，δλ，δh分别是SINS的经纬度以及高度误差，δLUSBL，δλUSBL，δhUSBL分别是USBL的纬度，经度以及高度误差。步骤(3.3)的具体运算方法为：上述两个导航子系统通过联邦滤波进行实时导航数据融合：通过SINS/USBL导航子系统可获得其状态的局部估计值和局部误差协方差矩阵P1，通过SINS/DVL导航子系统可获得和P2，采用联邦卡尔曼滤波，在主滤波器中把两个子系统得到的局部估计值进行全局融合后输出系统状态的全局最优估计值和全局最优误差协方差矩阵Pg，即：Pg＝(P1-1+P2-1)-1通过得到的全局最优估计值实时校正SINS的误差，最后SINS输出的导航信息即为组合导航系统的输出，包括海底油气管检测机器人的姿态，速度和位置等信息。与现有技术相比，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.海底油气管检测机器人的组合导航定位系统，其特征在于：包括卫星(1)、差分GPS系统(2)、水面艇(3)、超短基线定位系统USBL(4)、水下无人航行器(5)，电缆(6)、捷联惯导系统SINS(7)、多普勒计程仪DVL(8)，可分为水面导航、水面艇辅助水下航行器位置定位和水下导航三个部分。

【技术特征摘要】
1.海底油气管检测机器人的组合导航定位系统，其特征在于：包括卫星(1)、差分GPS系统(2)、水面艇(3)、超短基线定位系统USBL(4)、水下无人航行器(5)，电缆(6)、捷联惯导系统SINS(7)、多普勒计程仪DVL(8)，可分为水面导航、水面艇辅助水下航行器位置定位和水下导航三个部分。2.根据权利要求1所述的海底油气管检测机器人的组合导航定位系统，其特征在于：水面导航部分由卫星(1)、水面艇(3)、接收天线(11)、基准站(12)、发射电台(13)组成，水面艇辅助水下航行器位置定位部分由差分GPS系统(2)、应答器(9)、声基阵(10)组成，水下导航部分由超短基线定位系统USBL(4)、捷联惯导系统SINS(7)、多普勒计程仪DVL(8)组成。3.根据权利要求1或2所述的一种海底油气管检测机器人的组合导航定位系统，其特征在于：超短基线定位系统USBL(4)包括应答器(9)、声基阵(10)，超短基线定位系统USBL(4)的发射基阵和接收基阵固定在换能器中，组成声基阵(10)。4.海底油气管检测机器人的组合导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)差分GPS系统(2)得到船体的精确位置，计算出声基阵的位置、姿态和船舷向：对基准站(12)进行精确测量定位；基准站(12)利用接收天线(11)，估算每一颗卫星测量中缓慢变化的误差分量，形成对卫星(1)的测量修正；再通过发射电台(13)广播给水面艇(3)；(2)水面艇辅助水下航行器位置定位：精确测定声基阵(10)中声单元之间的相互位置，构建声基阵坐标系；应答器(9)测量声单元的相位差，得到应答器在声基阵坐标系中的方位，计算声基阵(10)与水下无人航行器(5)之间的相对距离，得到水下无人航行器(5)的相对位置；应用坐标系变换得到水下无人航行器(5)的绝对位置；(3)水下导航部分，捷联惯导系统SINS(7)作为组合导航定位系统的主系统，用于提供海底油气管检测机器人的三维姿态、速度和位置信息；多普勒计程仪DVL(8)和超短基线定位系统USBL(4)作为辅助系统，分别与捷联惯导系统SINS(7)构成导航子系统，采用联邦滤波技术中的无复位式结构模型设计组合导航系统，通过全局信息融合，得到系统状态的全局最优估计，利用获得的状态全局最优估计值对捷联惯导系统的误差进行实时校正，并将校正后的捷联惯性导航系统输出作为组合导航系统的输出。5.根据权利要求4所述的海底油气管检测机器人的组合导航定位方法，其特征在于：步骤(3)具体包括：(3.1)多普勒计程仪DVL(8)和捷联惯导系统SINS(7)组成SINS/DVL导航子系统，该子系统采用速度组合模式，利用SINS解算得到的地理坐标系下的速度与DVL转换后的地理坐标速度作差，将速度差值作为滤波过程的量测量，通过滤波器得到精确的导航定位信息；(3.2)超短基线定位系统USBL(4)和捷联惯导系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏延辉，刘静，田晨光，郑志，杨鹏飞，牛家乐，李强强，刘东东，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23