[發明專利]一種長基線水下潛艇匹配導航方法及系統

有效

• 申請號: 201810156117.7
• 申請日: 2018-02-24
• 公開（公告）號: CN108362281B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 肖云;任飛龍;李瑞鋒;劉曉剛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍61540部隊;西安航天天繪數據技術有限公司
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

本發明公開一種長基線水下潛艇匹配導航方法及系統，該方法包括：確定潛艇的起始點錨固位置；根據所述起始點錨固位置，確定潛艇的航跡坐標、航跡深度及絕對重力值；使用所述航跡深度校正所述絕對重力值，獲得航跡重力異常值；根據所述航跡坐標和設備誤差幅度在重力基準圖上確定搜索區域；所述設備誤差幅度由慣導設備決定；將所述航跡重力異常值和所述搜索區域進行分析，得到匹配路徑；以所述匹配路徑為準，將所述慣導系統的所述航跡坐標對應的當前位置挪移到所述匹配路徑處。采用本發明方法或系統可以使用戶實現實時、快速、精確的導航定位。

技術領域

本發明涉及海洋重力匹配導航領域，特別是涉及一種長基線水下潛艇匹配導航方法及系統。

背景技術

水下載體由于隱蔽性的需求必須長時間在水下航行，自身的定位及其安全性尤其突出。利用地球自有物理特征來輔助慣性導航的無源導航理論和方法是現階段國內外研究機構和學者關注的一個熱點。

在海底航行時，其深部導航十分困難。無法查看星像、太陽等天文坐標，也無法收到衛星導航系統的無線電信號。為了在海洋深處進行導航，一般使用航位推測法，測量出行進路線和速度并使用這些參數計算出潛器位置。導航工具是陀螺儀和加速度計，用陀螺儀判定航行方位，用加速度計測量運動變化所產生的力，從而計算出行駛的距離。但存在一個問題，如果潛艇人員不知道他們的初始位置，這些數據就都是無效的。并且無論如何精確的計算，經過一段時間后積累的誤差就會增大。為了進行位置校準，潛水艇必需浮出水面，根據衛星導航系統重新確定他們的位置，代價是會喪失潛艇的隱蔽性，降低潛艇的生存作戰能力。

因此基于地球重力場的無源水下導航技術應運而生。海洋重力匹配導航是利用海洋重力場的空間分布特征提高慣性導航精度，修正或限定慣性導航系統(INS)誤差積累的無源自主導航方法。它直接確定相對于基準參考坐標系的位置和速度，可在水下實現INS綜合校正，無需浮出水面或使用外部坐標，不需要來自地球的導航和通信信號，也不需要制作人工導航信標，隱蔽性強。當前，為了維護國家統一和主權領土完整，保障國家海洋權益和戰略通道以及全球海上貿易交通運輸安全，我海軍急需沖出第一、第二島鏈并完成向藍水海軍的轉變，海洋重力匹配導航技術是實現上述轉變的重要技術支撐。另外，海洋重力匹配導航有望解決無人潛艇對水下精確無源自主導航的迫切需求，從而實現海軍作戰方式的重大變革。

在現有的海洋重力匹配導航算法中，有代表性的方法主要為地形輪廓匹配算法(TERCOM)、桑迪亞慣性—地形輔助導航算法(SITAN)、基于等值線的最近點迭代算法(ICCP)等。這些方法各有優劣，適用于各種對導航精度要求不同的場合。

地形輪廓匹配算法(TERCOM)：是一種利用重力場輪廓特征實現精確定位的導航技術，其基本原理為：當水下潛器經過匹配區時，潛器上的重力儀對潛器下方的重力場剖面進行采樣，并在基準圖中搜索出有最佳擬合的重力場特征，該重力場特征在基準圖中所處的位置即為潛器的精確位置，從而修正潛器的航行路線。優點：對初始位置誤差要求較小，不必對搜索區域內的重力作線性或高斯分布假設。缺點：搜索范圍比較大、實時性較差、基線短、對航向誤差較敏感。

桑迪亞慣性—地形輔助導航算法(SITAN)：是美國桑迪亞實驗室在20世紀70年代開發的地形輔助導航技術，也可用于重力匹配導航。它通過擴展卡爾曼濾波器來處理測量的重力場幅值與預期的基準圖幅值之差，以連續估計慣導系統的位置和速度誤差。優點：對系統的修正是實時的，精度相較于TERCOM高，容許有較大速度和航向誤差。缺點：需要較精確的初始位置、基線短、要對重力作線性化估計。

最近點迭代算法(ICCP)：源于圖象配準中基于等值線的迭代最近點算法。該算法將重力儀測量得到的數據與相對應的先驗重力異常數據庫中的等值線進行匹配，找出測量航跡同已有地圖之間的最優匹配變換，再將經過變換的航跡作為匹配航跡，以便對測量航跡進行校正。優點：有較強的克服航向誤差的能力，不必對重力數據做預處理，可以進行全自由度估計。缺點：搜索范圍比較大、實時性較差，對觀測數據長度有要求，對航向誤差比較敏感。