本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航方法，尤其涉及一種海上運載體的組合導(dǎo)航方法及裝置，屬于導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

慣性導(dǎo)航是海上運載體最主要的導(dǎo)航方式之一，具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強、全天候等優(yōu)點，是完全自主的導(dǎo)航。由于陀螺儀和加速度計的誤差漂移，慣導(dǎo)系統(tǒng)必須借助于其他導(dǎo)航方式的輔助才能長時間使用。通常可以采用多普勒測速儀(DVL，Doppler Velocity Log)輔助慣導(dǎo)的工作方式，該方式具有自主性高、設(shè)備簡單的特點，通過DVL提供的速度信息，可以校正慣導(dǎo)的速度誤差、橫滾角誤差和俯仰角誤差，然而，隨時間累積的定位誤差和航向角誤差是無法校正的。

為了提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度，研究者提出了利用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、重力輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、天文導(dǎo)航系統(tǒng)等與慣導(dǎo)系統(tǒng)相結(jié)合的多種組合導(dǎo)航方法。

文獻[潘學(xué)松.基于SINS/DVL/GPS的AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2011.]給出了SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航方式，該方式利用多普勒測速儀提供的速度信息，校正慣導(dǎo)的速度和姿態(tài)誤差，但無法對航向進行持續(xù)有效的校正；利用GPS進行位置修正，但其可靠性和抗干擾性較差；利用基于遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)濾波來進行數(shù)據(jù)融合，提高了濾波精度和可靠性，但增加了算法的復(fù)雜性且難以滿足實時性的要求。

文獻[彭富清.海洋重力輔助導(dǎo)航方法及應(yīng)用[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2009.]給出了海洋重力輔助慣性導(dǎo)航的方法，該方法利用重力儀的測量值與重力圖進行匹配來校正慣性導(dǎo)航位置誤差，保證了系統(tǒng)的自主性，但其難以對航向進行有效修正，并且該導(dǎo)航方式對重力異常圖的制作精度要求較高且僅適用于重力特征明顯區(qū)域，無法成為一種獨立應(yīng)用的導(dǎo)航手段。

文獻[孫劍明.基于星圖識別的艦船天文導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.]給出了一種恒星敏感器輔助慣性的傳統(tǒng)天文導(dǎo)航方法，該方法利用星圖識別技術(shù)進行定姿定向，校正慣性誤差，但難以提供有效的位置修正，且數(shù)據(jù)更新率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種海上運載體的組合導(dǎo)航方法及裝置，能夠在擺脫對衛(wèi)星定位技術(shù)的依賴的同時，有效提高導(dǎo)航精度。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：

一種海上運載體的組合導(dǎo)航方法，所述海上運載體上裝備有慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)、水聲定位子系統(tǒng)、偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)；首先利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)進行捷聯(lián)解算，利用水聲定位子系統(tǒng)進行測距計算，利用偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)進行方位計算；然后建立以慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差為狀態(tài)量、水聲定位子系統(tǒng)的測距信息和偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的航向信息為觀測量的擴展卡爾曼濾波模型，對慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差進行閉環(huán)修正。

優(yōu)選地，所述水聲定位子系統(tǒng)為長基線水聲定位子系統(tǒng)或者偽長基線水聲定位子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，作為擴展卡爾曼濾波模型的狀態(tài)量的慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)的誤差為15階誤差狀態(tài)，如下式所示：

其中，φ_E、φ_N、φ_U分別為東向、北向和天向的數(shù)學(xué)平臺失準(zhǔn)角，δv_E、δv_N、δv_U分別為東向、北向和天向的速度誤差，δλ、δL、δh分別為經(jīng)度、緯度和高度誤差，ε_x、ε_y、ε_z分別三軸陀螺的誤差，▽_x、▽_y、▽_z分別三軸加速度計的誤差。

優(yōu)選地，所述擴展卡爾曼濾波模型的觀測方程如下：

其中，(X,Y,Z)為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)定位得到的海上運載體的坐標(biāo)；(X_ri,Y_ri,Z_ri)為三個位置已知的固定基站的坐標(biāo)；為海上運載體中心與聲納接收機之間的桿臂效應(yīng)；表示載體系與導(dǎo)航系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)所估計的位置信息計算出的水聲定位子系統(tǒng)中的接收機與所述三個位置已知的固定基站之間的距離；R_1m、R_2m、R_3m為利用水聲定位子系統(tǒng)測量得到的水聲定位子系統(tǒng)中的接收機與所述三個固定基站之間的距離；為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)解算得到的海上運載體的航向角；γ_m為利用偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)計算得到的海上運載體的航向角。

根據(jù)相同的發(fā)明思路還可以得到以下技術(shù)方案：

一種海上運載體的組合導(dǎo)航裝置，所述組合導(dǎo)航裝置包括慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)、水聲定位子系統(tǒng)、偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)融合單元，所述數(shù)據(jù)融合單元用于根據(jù)慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的捷聯(lián)解算結(jié)果、水聲定位子系統(tǒng)的測距計算結(jié)果、偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的方位計算結(jié)果，建立以慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差為狀態(tài)量、水聲定位子系統(tǒng)的測距信息和偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的航向信息為觀測量的擴展卡爾曼濾波模型，對慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差進行閉環(huán)修正。

優(yōu)選地，所述水聲定位子系統(tǒng)為長基線水聲定位子系統(tǒng)或者偽長基線水聲定位子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，作為擴展卡爾曼濾波模型的狀態(tài)量的慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)的誤差為15階誤差狀態(tài)，如下式所示：

其中，φ_E、φ_N、φ_U分別為東向、北向和天向的數(shù)學(xué)平臺失準(zhǔn)角，δv_E、δv_N、δv_U分別為東向、北向和天向的速度誤差，δλ、δL、δh分別為經(jīng)度、緯度和高度誤差，ε_x、ε_y、ε_z分別三軸陀螺的誤差，▽_x、▽_y、▽_z分別三軸加速度計的誤差。

優(yōu)選地，所述擴展卡爾曼濾波模型的觀測方程如下：

其中，(X,Y,Z)為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)定位得到的海上運載體的坐標(biāo)；(X_ri,Y_ri,Z_ri)為三個位置已知的固定基站的坐標(biāo)；為海上運載體中心與聲納接收機之間的桿臂效應(yīng)；表示載體系與導(dǎo)航系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)所估計的位置信息計算出的水聲定位子系統(tǒng)中的接收機與所述三個位置已知的固定基站之間的距離；R_1m、R_2m、R_3m為利用水聲定位子系統(tǒng)測量得到的水聲定位子系統(tǒng)中的接收機與所述三個固定基站之間的距離；為利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)解算得到的海上運載體的航向角；γ_m為利用偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)計算得到的海上運載體的航向角。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明針對海上運載體提出了慣性/APS/偏振光組合的自主導(dǎo)航方式，構(gòu)建了以慣導(dǎo)誤差為狀態(tài)量，聲學(xué)距離、偏振航向為觀測量的擴展卡爾曼濾波模型，來對慣導(dǎo)誤差進行閉環(huán)修正，一方面有效提高了導(dǎo)航精度，另一方面由于擺脫了對衛(wèi)星定位技術(shù)的依賴，因此具有更好的隱蔽性和抗干擾性。

附圖說明

圖1為具體實施方式中水聲定位子系統(tǒng)的測量原理示意圖；

圖2為天空偏振光分布模型；

圖3為具體實施方式中偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的航向角解算過程示意圖；

圖4為驗證試驗中的載體航路圖；

圖5為驗證試驗中的組合導(dǎo)航位置誤差；

圖6為驗證試驗中的組合導(dǎo)航航向角誤差。

具體實施方式

針對現(xiàn)有組合導(dǎo)航技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種慣性/APS/偏振光組合的導(dǎo)航方法，利用慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)進行捷聯(lián)解算，利用水聲定位子系統(tǒng)進行測距計算，利用偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)進行方位計算；然后建立以慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差為狀態(tài)量、水聲定位子系統(tǒng)的測距信息和偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的航向信息為觀測量的擴展卡爾曼濾波模型，對慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差進行閉環(huán)修正。本發(fā)明一方面可有效提高導(dǎo)航精度，另一方面由于擺脫了對衛(wèi)星定位技術(shù)的依賴，因此具有更好的隱蔽性和抗干擾性。

為了便于公眾理解，下面以一個具體實施例并結(jié)合附圖來對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明：

首先利用海上運載體所裝備的慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)、水聲定位子系統(tǒng)、偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)(為簡便起見，下文分別簡稱為慣導(dǎo)、聲納、偏振)分別進行導(dǎo)航計算。

其中的水聲定位子系統(tǒng)可包括現(xiàn)有的各種聲學(xué)基線，如長基線(LBL，Long Base Line)、超短基線(USBL，Ultra Short Base Line)等，本發(fā)明優(yōu)選采用長基線水聲定位子系統(tǒng)或者偽長基線水聲定位子系統(tǒng)。長基線系統(tǒng)包含兩部分，一部分是安裝在載體上的接收機，另一部分是位置已知的固定在海底的基站。基站之間的距離構(gòu)成基線，長度在上百米到幾千米之間。長基線系統(tǒng)是通過測量接收機和基站之間的距離，采用測量的交會對目標(biāo)定位。偽長基線定位系統(tǒng)即PLBL(Pseudo Long Base Line)，它的聲納基站具備偽隨機碼信號(Pseudo Random Code)發(fā)射能力，測距精度和抗干擾能力進一步增強。本實施例中采用PLBL系統(tǒng)，圖1即顯示了三個基站的PLBL測量原理示意圖，三個基站的位置已知，并能通過偽隨機碼發(fā)送給聲納接收機。

設(shè)三個基站坐標(biāo)分別為(X_r1,Y_r1,Z_r1)、(X_r2,Y_r2,Z_r2)、(X_r3,Y_r3,Z_r3)，載體中心坐標(biāo)為(X,Y,Z)，載體中心與聲納接收機之間的桿臂效應(yīng)為設(shè)測量距離為R₁、R₂和R₃，則有：

式(1)中表示載體系與導(dǎo)航系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

上述距離測量值利用解析矢量可表示為：

式(2)中

則可以通過慣導(dǎo)估計位置和已知基站位置計算距離從而與聲學(xué)測量的距離R_i作差構(gòu)成觀測量。

偏振光導(dǎo)航起源于對蜜蜂、沙蟻等昆蟲捷徑返巢能力的探索，是一種以太陽方向矢量為基準(zhǔn)的定向方式，具有抗干擾及誤差不隨時間累積等優(yōu)點。大氣散射輻射具有偏振特性，蜜蜂、沙蟻等昆蟲便是利用自身復(fù)眼敏感偏振信息來獲得方位。在晴朗無云的條件下，大氣對于太陽光的散射主要是瑞利散射，散射出射的光線主要是線偏振光，以偏振度和偏振方位角來描述。天空偏振光分布模型如圖2所示，其中，O表示地面上觀測點，S表示太陽，箭頭指向表示偏振方向。天空偏振模式具有兩條對稱線：一條是與太陽角距為90°的最大偏振線；另一條是過太陽和天頂?shù)奶栕游缇€。本具體實施例中通過偏振光導(dǎo)航傳感器敏感大氣偏振特性，獲取航向參數(shù)的具體過程如圖3所示，具體如下：

首先根據(jù)偏振導(dǎo)航模型獲取載體長軸與太陽子午線的夾角ψ；然后參考慣性導(dǎo)航信息消除偏振方位的180°方向模糊性問題；接著計算出太陽方向矢量，即高度角hs和方位角As，在天球坐標(biāo)系中，擬通過以下兩式求解：

其中，δ為太陽赤緯，為地面上觀測點O的緯度，t為太陽時角。δ和t可以根據(jù)天文歷換算而得。

則航向角由下式確定：

γ＝ψ+A_S (5)

建立以慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差為狀態(tài)量、水聲定位子系統(tǒng)的測距信息和偏振光導(dǎo)航子系統(tǒng)的航向信息為觀測量的擴展卡爾曼濾波模型，對慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差進行閉環(huán)修正。

該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：

狀態(tài)變量選為15階慣性誤差狀態(tài)，如式(7)所示。

其中，φ_E、φ_N、φ_U分別為東向、北向和天向的數(shù)學(xué)平臺失準(zhǔn)角，δv_E、δv_N、δv_U分別為東向、北向和天向的速度誤差，δλ、δL、δh分別為經(jīng)度、緯度和高度誤差，ε_x、ε_y、ε_z分別三軸陀螺的誤差，▽_x、▽_y、▽_z分別三軸加速度計的誤差。

F(t)為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，可由慣導(dǎo)的動力學(xué)方程確定，W(t)為系統(tǒng)的噪聲矩陣，包括三軸陀螺儀和三軸加速度計的白噪聲。

設(shè)該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測方程如下：

Y(t)＝H(t)X(t)+V(t) (8)

其中，Y(t)為系統(tǒng)的觀測向量，H(t)為觀測矩陣，V(t)為觀測白噪聲向量。

由慣導(dǎo)估計位置和已知基站位置計算的距離和可表示為：

其中，R_i為距離的真值，δR_i為陀螺儀和加速度計的漂移引起的距離誤差。

PLBL測量的距離R_1m、R_2m和R_3m可表示為：

R_im＝R_i+v_i (10)

其中，R_i仍為距離的真值，v_i為量測白噪聲，為了簡化分析，本實施例中不考慮水聲傳播的時延誤差和多路徑效應(yīng)。

慣導(dǎo)計算的航向角可表示為：

其中，γ為航向角的真值，δγ為慣導(dǎo)計算的航向角誤差。

偏振光測量的航向角γ_m可表示為：

γ_m＝γ+v_γ (12)

其中，γ仍為航向角的真值，v_γ為偏振測角的量測白噪聲。

由式(9)—(12)可得系統(tǒng)的觀測方程如下：

根據(jù)以上構(gòu)建的擴展卡爾曼濾波模型，即可對慣性導(dǎo)航主系統(tǒng)的誤差進行閉環(huán)修正。

為了驗證本發(fā)明的效果，構(gòu)建了半實物仿真系統(tǒng)來進行仿真驗證，各仿真計算機之間通過串口進行通信并傳輸信息。仿真過程說明如下：航跡發(fā)生器產(chǎn)生載體導(dǎo)航參數(shù)真值，慣導(dǎo)仿真計算機根據(jù)航跡真值生成IMU真值，與實際IMU的噪聲合成IMU輸出值，然后進行捷聯(lián)解算得到導(dǎo)航參數(shù)計算值；PLBL仿真計算機根據(jù)航跡真值以及布設(shè)的基站位置生成聲學(xué)距離測量值；偏振光仿真計算機根據(jù)航跡真值以及天文歷生成航向角測量值；三者通過組合導(dǎo)航計算機作為數(shù)據(jù)融合單元，進行擴展卡爾曼濾波計算，得到狀態(tài)估計值并進行誤差校正，更新導(dǎo)航參數(shù)。

假定載體的初始導(dǎo)航時間為2016年5月1日上午(北京時間)8時30分，初始位置為北緯30.7°、東經(jīng)124.2°，初始姿態(tài)水平。載體的航跡設(shè)置為“割草機”式航路，如圖4所示，航行速度為4節(jié)，仿真時間共4400s。傳感器相關(guān)參數(shù)如下：陀螺漂移為1(°)/h，加速度計零偏為10^-4g；聲納測距精度為1m；偏振光傳感器測角精度為0.2°。

圖5、圖6分別為試驗中所得到的組合導(dǎo)航位置誤差、航向角誤差。由圖5可知，通過聲納提供的測距信息與慣性的組合，有效的校正了慣導(dǎo)的定位誤差，位置輸出不再發(fā)散，整個仿真時間段位置精度均在4m以內(nèi)；由圖6可知，通過偏振光提供的航向角觀測量，能準(zhǔn)確估計出慣導(dǎo)的方位失準(zhǔn)角，航向角精度始終在0.15以內(nèi)°。