專利名稱：深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，特別是一種適合航行器 工作之前捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對準(zhǔn)或者長時間工作之后在不浮出水面的情況下進(jìn)行 再初始對準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
水下導(dǎo)航定位是海洋開發(fā)活動與海洋高技術(shù)發(fā)展的基本前提，海洋開發(fā)需要獲取 大范圍、精確的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行海底勘探、水下測量及水下工程等，現(xiàn)代海戰(zhàn)也逐 漸發(fā)展成為涉及太空、空中、陸地、海面、水下及海底多層空間的立體戰(zhàn)爭。所有這些都需要 有海面與水下導(dǎo)航定位的支撐。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展使整個地球表面以及地球的大部分外部空間實(shí)現(xiàn)全天 候?qū)Ш蕉ㄎ?，為太空探索和開發(fā)提供了方便的導(dǎo)航和定位手段，同時，也使傳統(tǒng)的測繪技術(shù) 發(fā)生了飛躍性的質(zhì)的變化。由于無線電波無法穿透水，特別是海水，因此，對于廣大的江河 湖泊、海洋等水下導(dǎo)航定位的需求，衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法滿足。盡管無線電波不能在海水中傳 播，但是，聲納信號在海水中有很好的傳播特性。通過聲納將無線電信號在水中的延續(xù)傳 播，可以實(shí)現(xiàn)水下航行器導(dǎo)航定位與探測。水下聲納導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量的都市相對于基線陣的坐標(biāo)，屬于獨(dú)立的局部相對坐 標(biāo)系，衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用的是全球統(tǒng)一的空間直角坐標(biāo)系，如果能夠?qū)烧呒傻揭粋€系 統(tǒng)中，就可以實(shí)現(xiàn)陸地、海洋水下立體導(dǎo)航定位。通?？梢圆捎眯l(wèi)星定位系統(tǒng)和水聲定位系統(tǒng)和水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)的船級基集成 實(shí)現(xiàn)全球坐標(biāo)系統(tǒng)下的水下組合導(dǎo)航，該方案成為松散耦合方式。即通過水面船只鏈接衛(wèi) 星定位系統(tǒng)和水下聲學(xué)系統(tǒng)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)測量船只的全球空間位置，水下聲線定位系統(tǒng) 測量水下目標(biāo)與船只的相對坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變換，求解水下目標(biāo)在全球范圍內(nèi)的空間坐標(biāo)。 所有的衛(wèi)星定位系統(tǒng)與水下聲線系統(tǒng)組合系統(tǒng)都屬于松散耦合系統(tǒng)。與之相對應(yīng)的就是將 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)直接作為水聲定位系統(tǒng)的一部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全集成到水聲定位系統(tǒng)內(nèi) 部。衛(wèi)星定位系統(tǒng)不僅需要提供空間位置，還需要提供其他相關(guān)的信息，一旦衛(wèi)星定位系統(tǒng) 不能工作，水聲定位系統(tǒng)也不能夠獨(dú)立工作，這種模式稱為緊耦合集成。水下衛(wèi)星系統(tǒng)和衛(wèi) 星智能浮標(biāo)系統(tǒng)都是緊耦合集成系統(tǒng)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)水下組合導(dǎo)航捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，旨在解 決現(xiàn)有技術(shù)在水下定位方面存在初始對準(zhǔn)需要浮出水面對準(zhǔn)的問題。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，包括衛(wèi)星星座、差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站、 衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)、水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)和船基數(shù)據(jù)控制中心，其中衛(wèi)星星座與差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站無 線通信，差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站和衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)分別通過海面無線電通信鏈路與船基數(shù)據(jù)控制中
3心連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)通過水下聲通信鏈路與衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)和船 基數(shù)據(jù)控制中心通過水下聲通信鏈路雙向連接。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型針對深海作業(yè)水下航行器工作之前動基座初始對準(zhǔn)和長時間作業(yè)后 再對準(zhǔn)的的問題，結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和水聲導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢，對水下初始對準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí) 現(xiàn)了在水下利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的資源的優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。

圖1為本實(shí)用新型硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成圖。圖中標(biāo)號衛(wèi)星星座1、差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站2、衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)3、水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)4、船 基數(shù)據(jù)控制中心5、海面無線電通信鏈路6、水下聲通信鏈路7。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1所示，深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，由導(dǎo)航衛(wèi)星星座、衛(wèi)星浮標(biāo)系 統(tǒng)、水下導(dǎo)航收發(fā)裝置、控制中心以及捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成。深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)水下初始對準(zhǔn)方法如下(1)水下航行器工作之前需要進(jìn)行初始對準(zhǔn)或者工作長時間后需要重新初始對 準(zhǔn)，數(shù)據(jù)控制中心向水下航行器的水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)發(fā)送一個請求定位的聲納脈沖信號，水 下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)接收到該脈沖后，再向衛(wèi)星浮標(biāo)發(fā)生水聲定位信號；(2)水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)向衛(wèi)星浮標(biāo)定位水聽器發(fā)射水聲定位信號；(3)衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)接收到水聲定位信號后，將水聲定位信號數(shù)據(jù)及衛(wèi)星信號數(shù)據(jù) 進(jìn)行編碼和調(diào)制，利用無線電技術(shù)傳送到船基數(shù)據(jù)控制中心；(4)數(shù)據(jù)控制中心將各衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)的無線電信號進(jìn)行綜合處理，計(jì)算出水下航 行器的位置。(5)數(shù)據(jù)控制中心將計(jì)算出的水下航行器和水聲信號發(fā)射時刻進(jìn)行編碼和調(diào)制， 利用水聲發(fā)射器將該調(diào)制信號發(fā)射到水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)；以及水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)得到位置和時 刻數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步計(jì)算出導(dǎo)航參數(shù)和當(dāng)前時刻。所述衛(wèi)星浮標(biāo)利用衛(wèi)星天線接收衛(wèi)星信號，利用定位水聽器接受水聲定位信號， 利用衛(wèi)星接收機(jī)時鐘接口進(jìn)行水聲定位信號的延時測量，建立水下定位的時間基準(zhǔn)，在將 所述衛(wèi)星信號、水聽器延時測量信號及浮標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制后，通過無線電天線發(fā)射至 數(shù)據(jù)控制中心；所述水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)響應(yīng)請求水聲定位信號生成或者通過用戶接口直接生成水 聲定位信號，并通過發(fā)射換能器就愛那個該水聲定位信號發(fā)射到所述衛(wèi)星浮標(biāo)，通過通訊 換能器接收所述數(shù)據(jù)控制中心下傳的定位結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算出導(dǎo)航參數(shù)。所屬數(shù)據(jù)控制中心接收到衛(wèi)星浮標(biāo)和差分基站的無線電信號后，利用各浮標(biāo)的衛(wèi) 星信號數(shù)據(jù)實(shí)時測定衛(wèi)星浮標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，并歸算到浮標(biāo)定位水聽器上，構(gòu)成水下定 位的海面動態(tài)大地測量基準(zhǔn)；根據(jù)水聽器延時測量的時間數(shù)據(jù)，采用時間或香味差分法確 定水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)的三維位置并發(fā)射到水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)；[0024]所述的海面無線電通信鏈路執(zhí)行衛(wèi)星浮標(biāo)到數(shù)據(jù)控制中心的浮標(biāo)各種信號、差分 基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)控制中心的衛(wèi)星差分信號的信號實(shí)時傳輸；所述的水下水聲通信鏈路執(zhí)行數(shù)據(jù)控制中心與水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)之間的水聲數(shù)據(jù) 通信；系統(tǒng)采用大地測量坐標(biāo)系，并保持與陸地、空間信息的參考坐標(biāo)系一致。衛(wèi)星接收機(jī)接收信號后，經(jīng)過一系列的解算對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行初始對 準(zhǔn)，其特征在于包含如下步驟(a)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位數(shù)據(jù)采集組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)以周期Te持續(xù)從衛(wèi)星導(dǎo)航接 收機(jī)相連的接口讀取衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出的特定格式的導(dǎo)航信息，并進(jìn)行解讀，取得航行 器的實(shí)時三維位置、三維速度和航向角，其中，三維位置包括經(jīng)度λ，維度L和高度H，當(dāng)?shù)?地理坐標(biāo)系下的東向速度Ve、北向速度Vn和天向速度Vu,航向角Ψ ；(b)衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)緩存把步驟(1)中讀入的組合的哦啊航計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo) 航接收機(jī)輸出的三維位置、三維速度和方位角與時間信息一并保持在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的內(nèi)存空 間變量中，緩存后的變量以此以符號λ η表示經(jīng)度、Lk^1表示緯度，Hk^1表示高度，Ve,^. Vn, H、Vu,Η分別表示東向、北向和天向速度，ΨΗ表示方位角，tk_i表示時間信息；(c)慣性測量單元數(shù)據(jù)采集緊跟步驟(2)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換或串行口，以周期T1讀 取慣性測量單元中陀螺和加速度計(jì)測量的三維角速率和三維比力，捷聯(lián)式慣性測量單元測 得的信息均為航行器教運(yùn)動和線運(yùn)動在載體坐標(biāo)系b下的投影，三維角速率和三維比力分 別為歧，ω^, <和fx6，/；, //，其中TeST1的整數(shù)倍，x，y，ζ表示載體系的三個坐標(biāo) 軸；(d)航行器運(yùn)動加速度的計(jì)算在初次獲得衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并經(jīng)過至少2個周期Te 的時間后，在完成衛(wèi)星信息解讀時刻tk，組合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中有經(jīng)度λ k、緯度Lk，高度Hk，東向 速度VE, k，北向速度VN, k，天向速度Vu, k，航向角Vk，按如下的前后差分法計(jì)算航行器的運(yùn)動 加速度 (e)將步驟(a)、步驟(c)和步驟(d)得到的實(shí)時位置、速度、運(yùn)動加速度，代入捷 聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)比力方程，計(jì)算導(dǎo)航系下的三維比力，其計(jì)算方法如下
式中，導(dǎo)航坐標(biāo)系下地球自轉(zhuǎn)角速度在導(dǎo)航坐標(biāo)系的投影可以由地球自轉(zhuǎn)角速度 及當(dāng)?shù)鼐暥扔?jì)算得到[0038] 導(dǎo)航坐標(biāo)系相對于地球轉(zhuǎn)動角速度可由航行器的航行速度和當(dāng)?shù)鼐暥?、地球半?計(jì)算得到 導(dǎo)航坐標(biāo)系下計(jì)算得到的三維比力[fE fN fJT和步驟(C)得到的載體坐標(biāo)系下的 比力[// /； //]『之間有如下變換關(guān)系[fbx /； fzbJ=Cbn[fE fN fj, Ψ, θ , y分別為航向角、縱搖角和橫搖角，通過方程可以求得橫搖角和縱搖角。(f)將步驟(e)中求得的橫搖角和縱搖角，與已獲得的經(jīng)度、緯度、高度、東向速 度、北向速度、天向速度、航向角組成初始狀態(tài)，初始化捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)，實(shí)現(xiàn) 對載體動態(tài)航行中的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)動基座初始對準(zhǔn)。 Cbn =
權(quán)利要求一種深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于包括衛(wèi)星星座(1)、差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站(2)、衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)(3)、水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)(4)和船基數(shù)據(jù)控制中心(5)，其中衛(wèi)星星座(1)與差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站(2)無線通信，差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站(2)和衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)(3)分別通過海面無線電通信鏈路(6)與船基數(shù)據(jù)控制中心(5)連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)(4)通過水下聲通信鏈路(7)與衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)(3)連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)(4)和船基數(shù)據(jù)控制中心(5)通過水下聲通信鏈路(7)雙向連接。
專利摘要本實(shí)用新型公布了一種深海作業(yè)水下航行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括衛(wèi)星星座、差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站、衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)、水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)和船基數(shù)據(jù)控制中心，其中衛(wèi)星星座與差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站無線通信，差分衛(wèi)星基準(zhǔn)站和衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)分別通過海面無線電通信鏈路與船基數(shù)據(jù)控制中心連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)通過水下聲通信鏈路與衛(wèi)星浮標(biāo)系統(tǒng)連接，水下導(dǎo)航收發(fā)機(jī)和船基數(shù)據(jù)控制中心通過水下聲通信鏈路雙向連接。本實(shí)用新型提高了初始對準(zhǔn)的精度和速度，從而提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和可用性。
文檔編號G01C21/16GK201673258SQ20102020288
公開日2010年12月15日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者張自嘉, 徐曉蘇, 楊常松, 王其 申請人:南京信息工程大學(xué)