用于水柱輔助導航的系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請根據(jù)美國法典第35條第119款第e項，主張享有2012年10月29日提交的 美國臨時申請No. 61/719, 916的權(quán)益，通過引用的方式將其公開作為整體合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 所公開的技術(shù)設(shè)及水下水聲測量系統(tǒng)，更具體地，設(shè)及用于輔助航行器（例如，水 下航行器扣V)或者不能使用GPS的航行器）導航的聲學多普勒流速剖面儀。
【背景技術(shù)】
[0004]-類重要類別的科學儀器設(shè)及精密水下聲學。利用發(fā)送聲脈沖并接收回波的先 進換能器，可W測量水柱的各個單元中的水流速度。該種類型的測量在工業(yè)中稱為流速分 布。如美國專利No. 6, 052, 334所描述的，利用多普勒聲納測量流體介質(zhì)中的流速是行之有 效的。美國專利公開No. 2012/0302908公開了設(shè)及聲學多普勒流速剖面儀（ADCP)的一些 附加特征，通過引用的方式將其全部公開合并到本文中。傳統(tǒng)的ADCP能夠使用W公知的 Janus配置進行布置的聲學換能器陣列。該種配置可W包括在正交平面中成對出現(xiàn)的4個 聲束。另外，例如，在Janus配置中，具有單個換能器的相控陣列可W被配置為產(chǎn)生多個波 束。ADCP能夠測量沿著波束軸投射的、波束長度約為發(fā)射的聲脈沖的一半的距離單元上的 平均化的速度分量。因為假設(shè)平均流速在波束上是水平均勻的，所W通過對相對波束求差 分能夠恢復流速分量。該過程對垂直流和/或未知的儀器傾斜引起的干擾相對不敏感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的系統(tǒng)、方法和計算機可讀介質(zhì)都具有多個方面，其中沒有單獨的一個方 面單獨地促成其期望的屬性。在不限制本發(fā)明的范圍的情況下，現(xiàn)在將主要討論更突出的 特征。
[0006] 在一個實施例中，提供了一種用于對航行器進行導航的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括大地 基準傳感器，其被配置為測量W大地為基準的航行器速度。所述系統(tǒng)還包括流速剖面儀，其 被配置為獲得與所述航行器相關(guān)的流速分布觀測。當能夠通過所述大地基準傳感器測量所 述航行器的速度時，所述流速分布觀測是W大地為基準的流速分布，W及當大地基準傳感 器測量不可用時，所述流速分布是觀測到的水流分布。所述系統(tǒng)還包括處理器。所述處理 器被配置為；響應(yīng)于初始的大地基準航行器速度，構(gòu)建W大地為基準的流速分布的平均估 計。所述處理器還被配置為；當大地基準測量不可用時，使用順序觀測的水流分布并在空間 上將它們轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格。所述處理器還被配置為；通過求得連續(xù)觀測到的分 布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，確定由水柱推導出的航行器速度變 化的估計。所述處理器還被配置為；通過累加所述初始的大地基準航行器速度和所述航行 器速度的隨后變化，確定由水柱推導出的航行器速度的估計。所述處理器還被配置為；將由 水柱推導出的航行器速度的估計用于導航方案和使流速分布W大地為基準，直到W大地為 基準的航行器速度可用。
[0007] 在一個實施例中，提供了一種對航行器進行導航的方法。所述方法包括；通過大 地基準傳感器測量W大地為基準的航行器速度。所述方法還包括；通過流速剖面儀獲得與 所述航行器相關(guān)的流速分布觀測。當能夠通過所述大地基準傳感器測量所述航行器的速度 時，所述流速分布觀測是W大地為基準的流速分布，W及當大地基準傳感器測量不可用時， 所述流速分布是觀測到的水流分布。所述方法還包括；響應(yīng)于初始的大地基準航行器速度， 構(gòu)建W大地為基準的流速分布的平均估計。所述方法還包括；當大地基準測量不可用時，在 空間上將順序觀測的水流分布轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格。所述方法還包括；通過求得連 續(xù)觀測到的分布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，確定由水柱推導出的 航行器速度變化的估計。所述方法還包括；通過累加所述初始的大地基準航行器速度和所 述航行器速度的隨后變化，確定由水柱推導出的航行器速度的估計。所述方法還包括；將所 述由水柱推導出的航行器速度的估計用于導航方案和使流速分布W大地為基準，直到W大 地為基準的航行器速度可用。
[0008] 在一個實施例中，提供了一種用于對航行器進行導航的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括用于 測量W大地為基準的航行器的速度的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括用于獲得與所述航行器相關(guān)的 流速分布觀測的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于響應(yīng)于初始的大地基準航行器速度，構(gòu)建W大 地為基準的流速分布的平均估計的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于當大地基準測量不可用時， 在空間上將順序觀測的水流分布轉(zhuǎn)移到深度單元的固定網(wǎng)格的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用 于通過求得連續(xù)觀測到的分布的差分并且求得所述深度單元的固定網(wǎng)格內(nèi)的平均，獲得由 水柱推導出的航行器速度變化的估計的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于通過累加所述初始的 W大地為基準的航行器速度和所述航行器速度的隨后變化，確定由水柱推導出的航行器速 度的估計的設(shè)備。所述系統(tǒng)還包括；用于將所述由水柱推導出的航行器速度的估計用于導 航方案和使流速分布W大地為基準，直到W大地為基準的航行器速度可用的設(shè)備。
[0009] 為了概括本發(fā)明和取得的優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點，本文在上文中已經(jīng)描述了本發(fā)明 的某些目的和優(yōu)點。當然，可W理解的是，不需要根據(jù)本發(fā)明的任何特定實施例實現(xiàn)所有的 該些目的和優(yōu)點。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，可實現(xiàn)或優(yōu)化本文教導或建 議的一個優(yōu)點或一組優(yōu)點的方式體現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明，而不需要本文可能教導或建議的其他 目的或優(yōu)點。
[0010] 所有的該些實施例都旨在處于本文公開的本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過W下對參考附圖 的優(yōu)選實施例的詳細描述，該些和其他實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得顯而易見，本 發(fā)明不限于公開的任何特定的優(yōu)選實施例（優(yōu)選實施例可W為多個）。
【附圖說明】
[0011] 圖1A是用于測量流速分布的聲學聲納系統(tǒng)的透視圖，所述系統(tǒng)安裝在潛入水中 的移動平臺上。
[0012]圖1B是用于測量流速分布的安裝在底部的聲學聲納系統(tǒng)的透視圖，所述系統(tǒng)W 朝下的方向安裝在移動水面平臺上。
[0013] 圖2是根據(jù)本文公開的一個實施例的、用于確定流速分布的系統(tǒng)的功能框圖。
[0014] 圖3是用于圖2的聲學多普勒流速剖面儀（ADCP)的電子設(shè)備的示例性的實施例 的框圖。
[0015] 圖4是根據(jù)一個實施例的用于導航的系統(tǒng)的頂層進程的框圖。
[0016] 圖5是根據(jù)一個實施例進行導航的過程的流程圖。
[0017] 圖6示出了當航行器位于水面上或接近水面并且位于利用大地基準傳感器（GP巧 確定航行器位置的范圍內(nèi)時進行導航的實施例。
[0018] 圖7示出了當航行器低于水面并估計航行器的軌跡時進行導航的實施例。所述航 行器位于使用大地基準傳感器（GP巧或水底追蹤器確定位置的范圍之外。
[0019] 圖8示出了當航行器足夠接近水的底面W利用水底追蹤器確定位置時進行導航 的實施例。
[0020] 圖9A和9B是用于對航行器進行導航的示例性的過程的流程圖。
[0021] 圖10是示出對航行器進行導航的過程的例子的流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 利用基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，舉例來說，例如，在水體（例如，海洋或大海）表面的公 知的全球定位導航系統(tǒng)（GP巧，航行器可W確定它們的位置。然而，一旦沉入到水中，該航行 器就將失去捕獲GPSf目號的能力。當航行器到達水底時，水底追蹤器（航位推測）提供速 度信息，但不提供位置信息。因此，在不能訪問衛(wèi)星定位系統(tǒng)的情況下，需要為水下航行器 更好地導航。
[0023] 當航行器沉入水下時，其可W使用ADCP(聲學多普勒流速剖面儀）的流速分布來 導航。水下航行器可W具有來自水體表面的GPS的位置定位，并且一旦水下航行器已經(jīng)下 降到水體底部的追蹤范圍內(nèi)，其就可W使用水底追蹤器進行航位推測。一個挑戰(zhàn)是，通過追 蹤航行器從水面到水底的轉(zhuǎn)移過程中的運動，確定航行器在水底的位置。在下降期間使用 W大地為基準的流速分布，可W提供對水參考系的估計，從而提供對航行器運動的估計。與 在水面測量的流速分布相結(jié)合的GI^S位置和速度可W提供水參考系的第一W大地為基準 的測量。在下降期間，隨后的分布可W提供分布梯度，所述分布梯度可用于將W大地為基準 的分布擴展至水底。該種對W大地為基準的流速分布的推斷可W提供一種在航行器到達水 底之前估計航行器在水下的運動的方法。一旦實現(xiàn)水底追蹤，用于航行器運動的校正基準 就可用于改進位置估計。由獨立的水柱推導出的航行器運動的估計可用于導航。
[0024] 在水面或水下的航行器可使用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP)來分析相對于平臺 的水流，并且可W使用大地基準裝置來確定平臺運動的W大地為基準巧時的測量。大地 基準裝置可W包括慣性系統(tǒng)、測量平臺相對于大地運動的水底跟蹤ADCP、或者可W跟蹤相 對于移動平臺的固定大地參考的位置的任何合適的裝置，例如，GI^S系統(tǒng)。壓力傳感器估計 航行器的深度。某些時候，大地基準傳感器可能不能用，例如，當航行器下降到水面W下時， GI^S不能用。另外，只有在低于水底位于ADCP范圍內(nèi)的深度時，水底跟蹤才可用。
[00巧]ADCP測量背后的一個原則是可W由ADCP測量流速分布。可W將ADCP或多個ADCP朝上、朝下或成角度的安裝到航行器上，W測量作為ADCP范圍內(nèi)的深度的函數(shù)的流速分 布。
[0026] -個策略是改進流速分布的估計。觀測到的分布的單個脈沖測量可W是有噪聲 的。如果水流速度確實是相對靜態(tài)的，那么流速分布的估計可W在時間上平均W獲得較低 的方差。當下降的水下航行器扣V)測量還沒有受益于GP