一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法及系统，针对现有技术中存在的水下导航定位误差收敛速度慢的问题，本发明专利技术提供一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，基于该方法的系统由捷联惯导系统、长基线水声定位系统、压力传感器和数据处理单元组成，将捷联惯导系统输出的斜距差、斜距率差和深度值分别与长基线水声定位系统输出的斜距差和斜距率差、压力传感器测量的潜器深度作差后进行卡尔曼滤波，滤波输出的导航误差估计值反馈修正捷联惯导系统。本发明专利技术方法利用斜距差之差、斜距率差之差进行捷联惯导系统/长基线水声定位系统紧组合，有效提高了水下潜器的导航定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法及系统
本专利技术属于水下潜器导航定位领域，具体涉及一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法及系统。
技术介绍
随着海洋资源开发和海洋能源的利用，现代海洋高新技术已成为新
的研究热点。水下潜器是完成水下勘探、侦测的主要载体，水下导航和定位是潜器正常工作的前提，长航时高精度是潜器导航的重要指标。受到水下复杂环境因素的影响，长航时精确导航一直是潜器面临的难题之一，目前在水下导航定位技术方面，潜器主要以多普勒测速仪(DVL：DopplerVelocityLog)辅助捷联惯导系统(SINS/DVL：StrapdownInertialNavigationSystem/DopplerVelocityLog)为基本导航系统，根据基本导航系统的航位推算原理，潜器经过长时间航行后，基本导航系统输出的位置已经积累较大误差，考虑到安全性和长时间水下作业的实际情况，采用长基线水声定位系统(LBL：LongBaseLine)，LBL定位系统堪称“水下GNSS高精度定位导航系统”，具有作用范围广和定位精本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，该方法步骤如下：/n步骤1，初始化水下导航定位系统：获取潜器的初始位置参数，获取潜器的角速率和比力信息，进行捷联惯导系统初始对准，获取潜器的初始姿态矩阵和初始速度信息；/n步骤2，判断声学基阵工作区水听器的可用个数，当水听器的可用个数大于两个时，迭代循环步骤3至步骤5，否则停止迭代，继续判断水听器的可用个数；/n步骤3，利用声学基阵和捷联惯导系统解算的潜器位置信息，计算出潜器与声学基阵之间的斜距差和斜距率差；/n步骤4，利用长基线水声定位系统计算出潜器与声学基阵之间的斜距差和斜距率差；/n步骤5，将所述步骤3中捷联惯导系统获取的...

【技术特征摘要】
1.一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤1，初始化水下导航定位系统：获取潜器的初始位置参数，获取潜器的角速率和比力信息，进行捷联惯导系统初始对准，获取潜器的初始姿态矩阵和初始速度信息；
步骤2，判断声学基阵工作区水听器的可用个数，当水听器的可用个数大于两个时，迭代循环步骤3至步骤5，否则停止迭代，继续判断水听器的可用个数；
步骤3，利用声学基阵和捷联惯导系统解算的潜器位置信息，计算出潜器与声学基阵之间的斜距差和斜距率差；
步骤4，利用长基线水声定位系统计算出潜器与声学基阵之间的斜距差和斜距率差；
步骤5，将所述步骤3中捷联惯导系统获取的斜距差和斜距率差以及捷联惯导系统解算的潜器深度值分别与所述步骤4中长基线水声定位系统获取的斜距差和斜距率差、压力传感器获取的潜器深度值作差后进行卡尔曼滤波，并将滤波后输出的导航误差估计值反馈修正捷联惯导系统的导航参数，并输出相应的潜器位置、姿态和速度。


2.根据权利要求1所述的一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤2中判断声学基阵工作区水听器的可用个数，具体判断方法如下：
通过潜器上声源获取潜器相对于声学基阵中各水听器的斜距，与声波传播距离相比较，当斜距小于声波传播距离时，该水听器为可用水听器。


3.根据权利要求1所述的一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤3中捷联惯导系统获取斜距差和斜距率差的具体过程如下：
将解算的潜器位置由球面坐标系转换到直角坐标系为(xI,yI,zI)，计算潜器与声学基阵中各水听器的斜距差为：



式中，(xa,ya,za)为组成声学基阵的水听器位置坐标，为潜器相对于第j号水听器的斜距与其相对于第k号水听器的斜距之差，其中j、k为水听器编号，且j≠k；
将斜距差在潜器位置真值(x,y,z)处泰勒级数展开，取其一次项得：



式中，为第j号水听器到潜器的真实距离，为第k号水听器到潜器的真实距离，分别为水听器在直角坐标三个轴向的方向余弦之差，δx＝xI-x，δy＝yI-y，δz＝zI-z分别为直角坐标三个轴向的位置误差；
对斜距差求导，得到潜器相对于声学基阵中各水听器的斜距率差为：



式中，为潜器相对于第j号水听器的斜距率与其相对于第k号水听器的斜距率之差，变量上方·表示变量的导数。


4.根据权利要求1所述的一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤4中长基线水声定位系统获取斜距差和斜距率差的具体过程如下：
潜器与声学基阵中各水听器的斜距差为：



式中，c为水中声速，τjk为潜器上声源到达第j号水听器的时延与其到达第k号水听器的时延之差，δtjk为斜距时延差误差，υδρ为斜距差观测噪声；
对上述斜距差求导，得到斜距率差为：



式中，为声波多普勒频移差，λ为声波相位波长，δfjk为斜距时延差变化率误差，为斜距率差观测噪声。


5.根据权利要求1所述的一种基于SINS/LBL紧组合的水下导航定位方法，其特征在于，所述步骤5中作差、滤波及修正的具体步骤如下：
步骤501，分别建立长基线水声定位系统和压力传感器状态方程及整个水下导航定位系统状态方程：
长基线水声定位系统状态参数选取与时间相关的两个误差δtjk和δfjk，其状态表示为：



式中，δtjk为斜距时延差误差，δfjk为斜距时延差变化率误差，wδt为驱动噪声，τδf和wδf分别为一阶马尔科夫过程的相关时间和驱动噪声；
压力传感器深度测量误差δhp状态方程为：



式中，τp为深度误差相关时间，wp为深度误差噪声；
整个水下导航定位系统的状态方程描述为：



式中，XI、XL、XP分别为捷联惯导系统、长基线水声定位系统和压力传感器的状态变量，FI、FL、FP分别为捷联惯导系统、长基线水声定位系统和压力传感器的状态转移矩阵，WI、WL、WP分别为捷联惯导系统、长基线水声定位系统和压力传...

【专利技术属性】
技术研发人员：周玲，孙慧霞，窦永梅，胡杰，朱倚娴，
申请(专利权)人：运城学院，
类型：发明
国别省市：山西;14