[發明專利]深海作業水下航行器組合導航系統及水下初始對準方法

有效

• 申請號: 201010183315.6
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN101832775A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 王其;徐曉蘇;張自嘉;楊常松
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C25/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

1.一種深海作業水下航行器組合導航系統，其特征在于包括衛星星座(1)、差分衛星基準站(2)、衛星浮標系統(3)、水下導航收發機(4)和船基數據控制中心(5)其中衛星星座(1)與差分衛星基準站(2)無線通信，差分衛星基準站(2)和衛星浮標系統(3)分別通過海面無線電通信鏈路(6)與船基數據控制中心(5)連接，水下導航收發機(4)通過水下聲通信鏈路(7)與衛星浮標系統(3)連接，水下導航收發機(4)和船基數據控制中心(5)通過水下聲通信鏈路(7)雙向連接。

2.一種深海作業水下航行器組合導航系統水下初始對準方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)船基數據控制中心(5)向水下航行器的水下導航收發機(4)發送一個請求定位的聲納脈沖信號；

(2)水下導航收發機(4)向衛星浮標系統(3)發射水聲定位信號；

(3)衛星浮標系統(3)接收到水聲定位信號后，將水聲定位信號數據及接收到的衛星信號數據進行編碼和調制得到無線電信號，利用海面無線電通信鏈路(6)將無線電信號傳送到船基數據控制中心(5)；

(4)船基數據控制中心(5)將各衛星浮標系統(3)的無線電信號進行計算得到水下航行器的位置；

(5)船基數據控制中心(5)將計算出的水下航行器的位置和水聲定位信號發射時刻進行編碼和調制得到調制信號，利用水聲發射器將調制信號發射到水下導航收發機(4)；水下導航收發機(4)根據調制信號計算出導航參數和當前時刻。

3.根據權利要求2所述的深海作業水下航行器組合導航系統水下初始對準方法，其特征在于步驟(5)所述的水下導航收發機(4)根據調制信號計算出導航參數和當前時刻的方法包含如下步驟：

(a)水下導航收發機(4)定位數據采集：采用組合導航計算機以周期TG持續讀取水下導航收發機(4)接收到的導航信息即調制信號，并進行解讀，取得航行器的實時三維位置、三維速度和航向角ψ和時間t，其中，三維位置包括經度λ、維度L和高度H，三維速度包括當地地理坐標系下的東向速度V_E、北向速度V_N和天向速度V_U；

(b)衛星導航定位數據緩存：把步驟(a)中所述的航行器的三維位置、三維速度、航向角與時間信息一并保持在導航計算機的內存空間變量中，緩存后得到經度λ_k-1、緯度L_k-1、H_k-1高度，東向速度V_E，k-1、北向速度V_N，k-1和天向速度V_U，k-1，航向角ψ_k-1，時間信息t_k-1；

(c)慣性測量單元數據采集：以周期T_I讀取慣性測量單元中陀螺和加速度計測量的三維角速率和三維比力，捷聯式慣性測量單元測得的信息均為航行器教運動和線運動在載體坐標系b下的投影，三維角速率和三維比力分別為和其中T_G為T_I的整數倍，x，y，z表示載體系的三個坐標軸；

(d)航行器運動加速度的計算：經過至少2個周期T_G的時間后，在完成衛星信息解讀時刻t_k，組合導航計算機中有經度λ_k、緯度L_k，高度H_k，東向速度V_E，k，北向速度V_N，k，天向速度V_U，k，航向角ψ_k，按如下的前后差分法計算航行器的東向、北向和天向運動加速度：

aE=VE,k-VE,k-1TG,]]>

aN=VN,k-VN,k-1TG,]]>

aU=VU,k-VU,k-1TG;]]>

(e)將步驟(a)、步驟(c)和步驟(d)得到的實時位置、速度、運動加速度，代入捷聯慣性導航系統比力方程，計算導航系下的三維比力，其計算方法如下：

fEfNfU=aEaNaU+0-(2ωieUn+ωenUn)(2ωieNn+ωenNn)(2ωieUn+ωenUn)0-(2ωieEn+ωenEn)-(2ωieNn+ωenNn)(2ωieEn+ωenEn)0VE,kVN,kVU,k-00g0,]]>

式中，導航坐標系下地球自轉角速度在導航坐標系的投影可以由地球自轉角速度及當地緯度計算得到：

ωien=ωieEnωieNnωieUn=0ωiecosLωiesinL,]]>

導航坐標系相對于地球轉動角速度可由航行器的航行速度和當地緯度、地球半徑計算得到：

ωenn=ωenEnωenNnωenUn=-VN,kRVE,kRVE,kRtgL,]]>

導航坐標系下計算得到的三維比力[f_E?f_N?f_U]^T和步驟(c)得到的載體坐標系下的比力之間有如下變換關系：

fxbfybfzbT=CnbfEfNfUT,]]>

Cnb=cosγcosψ+sinγsinθsinψ-cosγsinψ+sinγsinθcosψ-sinγcosθcosθsinψcosθcosψsinθsinγcosψ-cosγsinθsinψ-sinγsinψ-cosγsinθcosψcosγcosθ,]]>

ψ，θ，γ分別為航向角、縱搖角和橫搖角；

(f)將步驟(e)中求得的橫搖角和縱搖角，與已獲得的經度、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，初始化捷聯慣性導航系統的導航參數，實現對載體動態航行中的捷聯慣性導航系統動基座初始對準。