[發(fā)明專利]一種水面/水下航行器與定位設備之間的航向角偏差估計方法

有效

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• 申請日: 2018-01-24
• 公開（公告）號: CN108344426B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設計）人: 徐元欣;余睿;蔣丞;向彥博;夏伊倩;周杰;曾大亨;徐文
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發(fā)明公開一種水面/水下航行器與定位設備間的航向角偏差估計方法，首先航行器在水面或水下進行定向直線航行，同時通過自身定位和定位設備定位，獲得大地東北向坐標下航行器的離散定位點數(shù)據(jù)；然后采用數(shù)據(jù)擬合將航行器自身運動軌跡點和定位設備測試數(shù)據(jù)進行直線擬合，兩條直線間的角度差即為航行器和定位設備的航向角偏差值；對同航向進行多次測試，并將多次數(shù)據(jù)求平均，即可獲得該方向下的航向角偏差；然后控制航行器朝別的不同方向進行直線航行，重復上述步驟，獲得其它方向下的航向角的偏差，若多個方向下的航向角偏差的相對誤差小于5％，則再次求平均。該方法操作便捷，定位設備獲取的定位數(shù)據(jù)更加精準，適用于各種不同的航行器航行環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水面/水下水下航行器導航儀器校準領(lǐng)域，具體涉及一種水面/水下航行器與定位設備之間的航向角偏差估計方法。

背景技術(shù)

水下航行器(以下簡稱航行器)是有纜或無纜連接的水面/水下無人航行平臺(比如AUV、ROV、滑翔機或者混合型水下航行器等)，在裝載合適的聲納、水文、化學等傳感器后可應用于水上/水下環(huán)境監(jiān)測、近海石油工程作業(yè)、水下搜索與測繪等領(lǐng)域。它具有控制靈活、航行面積廣闊、價格低廉等特點，是近年來海洋工程領(lǐng)域研究的熱點之一。水下導航技術(shù)是實現(xiàn)航行器自主航行的關(guān)鍵，但是不同于傳統(tǒng)導航系統(tǒng)，水下導航技術(shù)具有海洋環(huán)境復雜、可獲取的外界信息少、系統(tǒng)功耗/體積制約等特點，具有極大的挑戰(zhàn)性。航行器搭載的常用的水下導航傳感器有多普勒計程儀(Doppler Velocity Log，DVL)、電子羅盤、慣性導航系統(tǒng)、深度傳感器、基線定位系統(tǒng)(如長基線LBL、短基線SBL、超短基線USBL等)等。

在幽深的海底，要想知道潛水器所在位置并不容易，因為無線電波在水中的快速衰減使全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的定位手段無計可施，而航行器在航行過程中自身導航精度有限，需采用對端定位設備對航行器進行輔助定位以提高精度。聲波是目前最有效的水下遠距離傳播的信息載體，水下對端定位設備一般采用基線定位系統(tǒng)，利用聲波進行定位，分為長基線、短基線和超短基線(USBL)三類。超短基線的接收傳感器就類似于人類的耳朵，兩耳之間的距離就相當于基線。長基線系統(tǒng)的信標之間相距幾公里到幾十公里，基線越長，精度越高。但潛水器進行水下精確作業(yè)時，需要在海底布陣，復雜且受限。故超短基線USBL定位系統(tǒng)是比較常用的手段，應用在水下航行器中時，常使用USBL作為對端定位設備，它由發(fā)射換能器、應答器、接收基陣組成。發(fā)射換能器和接收基陣安裝在母船或固定框架上，應答器固定在航行器上。發(fā)射換能器發(fā)出一個聲脈沖，應答器收到后，回發(fā)聲脈沖，接收基陣收到后，測量出X、Y兩個方向的相位差，并根據(jù)聲波的到達時間計算出水下裝置到基陣的距離，從而計算得到航行器在USBL設備體坐標上的位置，USBL設備采用自身姿態(tài)傳感器可進一步得到航行器在大地坐標下的位置數(shù)據(jù)。

在航行器的導航定位中，航行器可靠自身攜帶的傳感器獲得的測量信息推算自身的位置，但是僅僅依靠推算精度往往打不到要求，并且誤差在不斷的積累擴大。在航行器推算位置的基礎(chǔ)上，融入對端定位設備的定位信息就能比較快速有效地解決這一問題。另外，在實際應用中經(jīng)常需要控制航行器回到定位設備附近，比如進行回收或回塢，而在這一過程中對端定位設備對航行器的定位顯得尤為重要，并且在近距離更看重相對位置關(guān)系，如何獲得兩者更加準確的相對關(guān)系是這一技術(shù)的關(guān)鍵。但是對端定位設備(后面將以USBL為例)測得的位置信息是相對于自身定義的儀器體坐標系下的位置，在使用USBL測量的位置進行導航時，必須要經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換到和航行器相同的大地坐標系(即東北天)下，這一過程通常需利用各自自身的姿態(tài)傳感器測得的其載體姿態(tài)信息。若USBL坐標系與航行器坐標系不存在偏角，則坐標轉(zhuǎn)換過程不會導致測量位置的偏差。然而實際應用中，航行器和USBL設備的姿態(tài)傳感器(特別是航向角)本身傳感器之間測量有固定偏差，各自受到周邊不同環(huán)境影響也會產(chǎn)生偏差，導致兩者航向角不一致。另外，USBL本身定位數(shù)據(jù)產(chǎn)生在體坐標下，其姿態(tài)/航向傳感器和聲線模塊之間的安裝方向偏差將會導致坐標轉(zhuǎn)換過程中的偏差。這幾方面引起的航向角偏差會直接影響系統(tǒng)整體的導航精度，且隨著航行時間的增加會產(chǎn)生累計誤差，因此有必要對兩者之間的航向角的偏差進行估計并校正，以提高航行器的導航精度。