[發明專利]一種深潛載人潛水器ADCP速度估計與修正算法

有效

• 申請號: 202011491308.2
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112684207B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 劉錫祥;盛廣潤;劉賢俊;趙立業;黃永江;張玉鵬;趙苗苗;王子璇;蒲文浩
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P21/02;G01C21/16;G01C25/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.一種深潛載人潛水器ADCP速度估計與修正算法，其特征在于，具體步驟如下：

(1)在海面上，利用SINS/GPS組合導航提供載人潛水器在初始時刻的對地速度v^b；

所述步驟(1)中通過SINS/GPS組合導航提供載人潛水器在初始時刻的對地速度方法如下：

S1.1：采用SINS導航解算算法，慣性測量單元輸出角速度和比力信息，經過慣導機械編排方程求解，輸出導航信息，即姿態，速度，位置；導航坐標系下導航解算方程為：

其中，選擇當地地理坐標系為導航坐標系n，為“北東地”坐標系；載體坐標系b，為“前右下”坐標系；慣性、地球坐標系分別記為i、e，表示載體坐標系到導航坐標系的姿態矩陣；分別是載體坐標系對于導航坐標系的角速率在載體坐標系下的投影、地球坐標系相對于慣性坐標系的角速率在導航坐標系下的投影、導航坐標系相對于地球坐標系的角速率在導航坐標系下的投影；Vⁿ表示對地速度在導航坐標系下的投影；表示加速度計輸出的比力信息；gⁿ表示重力加速度在n系下的投影；L、λ、h分別表示緯度、經度、高度；R_n、R_e分別表示地球子午圈、卯酉圈曲率半徑；

S1.2：通過GPS導航解算，基于測量站星距離就能夠進行載體速度、位置的測量：

式中，X_j、Y_j、Z_j是衛星位置，載體位置X_u、Y_u、Z_u是GPS實時檢測到的；c是電磁波的傳播速度；為信號接收機時鐘相對GPS時系的偏差；則是第k顆GPS衛星時鐘相對于GPS時系的偏差；分別是電離層、對流層所引起的距離偏差；

根據速度和距離變化率的關系，得出三維速度表達式如下：

GPS接收機可以測得站星距離ρ_j及其變化率

在進行定位計算時，式(5)只有四個未知數，載體的速度和只要測4顆衛星，就能夠解出來所有未知數；

式中

最終，依據四個方程式就可以解算出載體的三維速度vⁿ及位置信息；

S1.3：在海面上，GPS正常工作時，將SINS和GPS的位置，速度之差作為量測信息送入卡爾曼濾波器中，獲得離散化的kalman濾波方程和量測方程，對SINS誤差進行校正，輸出更為準確可靠的導航信息；

S1.4：根據SINS/GPS提供的Vⁿ和位置(L、λ、h)信息，由以下公式得到載人潛水器在初始時刻的對地速度V^b；

(2)ADCP工作在對流模式中，測量出載人潛水器相對水流的速度利用多次ADCP掃描的重復測量推導出載人潛水器的對地速度v^b和水流速度

所述步驟(2)中通過ADCP測量載人潛水器的對流速度：ADCP先向海水中發射一定頻率的聲波信號，由于水體中存在散射粒子，一部分散射回波信號被接收換能器接收，因為發射聲波和散射回波頻率之間存在多普勒頻移，所以通過頻移計算得到波束向的相對速度，再經過波束向夾角把它轉換成載體坐標系下的速度

(3)下潛至近海底，利用ADCP底跟蹤功能獲取的載人潛水器的對地速度與重疊的ADCP測量推導出載人潛水器的對地速度的誤差，提出一種對各深度單元層中載人潛水器對地速度和水流速度實現誤差修正的方法；

所述步驟(3)中下潛至近海底，利用ADCP底跟蹤功能獲取的載人潛水器的對地速度與重疊的ADCP測量推導出載人潛水器的對地速度的誤差，實現對各深度單元層中載人潛水器對地速度和水流速度實現誤差修正的方法如下：

S3.1：當深潛載人潛水器到達近海底時，可以使用底跟蹤方法使得海底對信號的反射得到回波信號，通過反射信號的多普勒頻移進行計算，獲取載人潛水器的對地速度v^b(track)，由此得該深度單元的洋流速度

S3.2：將利用重疊的ADCP測量推導出載人潛水器的對地速度v^b(bin_N)和使用ADCP底跟蹤方法獲取的載人潛水器的對地速度v^b(track_N)進行作差，得出估算和測量對地速度誤差為δν^b(N)；同樣將重疊ADCP測量推導出的洋流速度和底跟蹤方法下計算出的洋流速度作差得

S3.3：根據載人潛水器、洋流速度的估算誤差隨下潛時間和深度呈線性關系的特性，假設從下潛初始時刻至近海底深度為h米,已知ADCP各單元深度為d米，深度單元總數即為N＝h/d，依次排序，根據步驟2已知每層深度單元的對地、洋流速度可求，載人潛水器的對地速度在每一層深度單元的誤差為Δν^b(n)＝(δν^b(N)/N)·bin_n；洋流速度誤差為由于第一層深度單元的對地速度可由導航系統求解，不需要重疊ADCP測量估算，所以n＞1；

S3.4：由上述的誤差估算方法，將各層深度單元的速度誤差作為參考量，對重疊的ADCP測量推導出的速度進行誤差修正，得載人潛水器對地速度：載人潛水器所在深度單元處的洋流速度：