[發(fā)明專利]一種水下拖體航位推算系統(tǒng)初始位置在線獲取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410742331.2
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號: CN104459707A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張延順;郭雅靜;黃小娟;李春雨
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01C21/00;G01C21/16
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水下拖體航位推算系統(tǒng)初始位置在線獲取方法，用于在線確定直線航行狀態(tài)下深海水下拖體DR系統(tǒng)的初始位置，特別適用于水下拖體直線航行運動過程中在線確定DR系統(tǒng)初始位置。

背景技術(shù)

深海拖曳系統(tǒng)可以在近海底條件下進(jìn)行海底地形地貌勘探和海底視像觀察和記錄，是調(diào)查深海礦產(chǎn)資源最經(jīng)濟(jì)有效的手段。基于聲學(xué)原理的水聲定位系統(tǒng)、DVL和基于慣性器件原理的陀螺羅經(jīng)是水下拖體常用的導(dǎo)航子系統(tǒng)：水聲定位系統(tǒng)輸出水下拖體位置信息，波動較大；對羅經(jīng)和DVL輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算計算也可以得到拖體的位置信息，但是其位置誤差隨時間積累而發(fā)散。由于不同導(dǎo)航方法具有不同優(yōu)缺點，采用單一導(dǎo)航手段不能得到很好的定位效果。航位推算(Dead?Reckoning,DR)/水聲定位系統(tǒng)組合定位既能抑制DR系統(tǒng)隨著時間增加由誤差累積引起的誤差發(fā)散，又能平滑水聲定位系統(tǒng)輸出位置的波動。在水聲定位系統(tǒng)短時間失效的情況下，可以依靠DR進(jìn)行導(dǎo)航定位。DR系統(tǒng)的初始位置精度影響DR系統(tǒng)性能，也影響DR/水聲組合定位系統(tǒng)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的性能。在對姿態(tài)和速度平穩(wěn)性有較高要求的水下精確測繪等領(lǐng)域，對DR系統(tǒng)的初始位置精度要求更高。

水下導(dǎo)航信息貧乏，通常只能以水聲定位系統(tǒng)輸出的位置信息作為DR系統(tǒng)的初始位置。水聲定位系統(tǒng)是根據(jù)聲波在水底應(yīng)答器和載體接收機間傳播的時間來確定距離進(jìn)而進(jìn)行定位的，受聲速誤差、航行噪聲和載體搖擺等影響，整體數(shù)據(jù)的優(yōu)劣程度不一，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)波動較大。所以，需要從一段時間內(nèi)水聲定位系統(tǒng)輸出的位置信息中計算提取出DR系統(tǒng)需要的初始位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服水聲定位系統(tǒng)直接提供DR系統(tǒng)初始位置信息誤差波動大的不足，提出一種水下拖體航位推算系統(tǒng)初始位置在線獲取方法，該方法綜合了DR系統(tǒng)和水聲定位系統(tǒng)的特點，通過平移DR航行軌跡，得到了在確定運動趨勢約束下的最優(yōu)軌跡，并依據(jù)軌跡求出初始位置。水下運載體高度信息由深度計提供，所以實際應(yīng)用時本方法只考慮二維平面內(nèi)的初始位置信息，即經(jīng)、緯度信息。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：水下拖體航位推算系統(tǒng)初始位置在線獲取方法，其特點在于通過下列步驟實現(xiàn)：

(1)在線采集并存儲初始定位時間段內(nèi)深海水下拖體的水聲定位傳感器、羅經(jīng)和DVL的輸出數(shù)據(jù)，其中初始定位時間根據(jù)實際情況確定，通常采用1～2分鐘；

(2)對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

(3)利用水聲定位系統(tǒng)初始位置、羅經(jīng)和DVL的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算，得到DR系統(tǒng)航行軌跡；

(4)平移DR系統(tǒng)航行軌跡，直至水聲定位系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)到該直線距離平方和最小，得到了在確定運動趨勢約束下的最優(yōu)航行軌跡；

(5)依據(jù)該航行軌跡獲得初始位置。

所述步驟(2)中的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法為：首先對水聲定位系統(tǒng)、羅經(jīng)和DVL輸出數(shù)據(jù)，應(yīng)用3σ準(zhǔn)則進(jìn)行去野值運算。然后根據(jù)時間標(biāo)簽對上述三種傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時間對齊、頻率匹配和單位統(tǒng)一。

所述步驟(3)中的DR方法為：通過羅經(jīng)提供的姿態(tài)信息和DVL提供的速度信息可以計算出水下拖體載體系下的速度在導(dǎo)航系下的投影，進(jìn)而通過積分運算計算得出水下拖體的位置信息，具體計算方法如下：

利用羅經(jīng)測得的姿態(tài)信息，采用方向余弦矩陣可以描述載體系到導(dǎo)航系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，則有：