载人潜水器的组合导航定位方法技术

一种载人潜水器的组合导航定位方法，取运动传感器和多普勒测速声纳的速度值，通过第一级卡尔曼滤波器综合，得最优载人潜水器速度值；由卡尔曼滤波器综合出载人潜水器最优速度值和航向角、纵倾角推算载人潜水器位置值；取超短基线定位声纳测量位置值，将超短基线定位声纳测量的位置值和推算出的载人潜水器位置值通过第二级卡尔曼滤波器综合，得最优载人潜水器位置值；采用延时超短基线测量数据融合方法，实现用过去的超短基线测量载人潜水器位置数据，对现在载人潜水器位置推算数据的矫正；不用投放固定水声信标确定载人潜水器在惯性坐标系中坐标。本发明专利技术可把多路导航设备测量得到的载人潜水器的位置和姿态信息，进行综合处理，得最优导航信息。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及载人潜水器在海洋中定位技术，具体的说是把多种导航设备的信号进行综合处理后，估算出一个平滑的最接近真实的载人潜水器位置信息的。
技术介绍
载人潜水器在海洋中航行，实时需要知道自己当前的位置和姿态信息。目前，载人潜水器导航定位系统的功能包括确定载人潜水器相对作业母船的位置、载人潜水器在惯性导航坐标系中的位置、载人潜水器的姿态(包括航向、深度、纵倾、高度)。载人潜水器和自治水下机器人(AUV)统称为无缆水下机器人，现在的无缆水下机器人导航定位有多种办法，也有取多路导航信号的导航方法。但是，他们往往是简单的导航信号备份，而不是进行信号的融合。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，把多路导航设备测量得到的载人潜水器的位置和姿态信息，进行综合处理，得到最优的导航信息。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是按如下步骤操作1)取运动传感器和多普勒测速声纳的速度值，通过第一级卡尔曼滤波器综合，得到最优的载人潜水器速度值；2)由卡尔曼滤波器综合出的载人潜水器最优速度值和航向角、纵倾角推算载人潜水器位置值；3)取超短基线定位声纳测量的位置值，将超短基线定位声纳测量的位置值和推算出的载人潜水器位置值通过第二级卡尔曼滤波器综合，得到最优的载人潜水器位置值；4)采用延时超短基线测量数据融合方法，实现用过去的超短基线测量载人潜水器位置数据，对现在载人潜水器位置推算数据的矫正；5)不用投放固定水声信标确定载人潜水器在惯性坐标系中坐标；所述由推算出的载人潜水器最优速度值和航向角、纵倾角推算载人潜水器位置值的步骤具体如下； 先确定载人潜水器起始位置的经纬度坐标，采用固定坐标系(E-XYZ)，其中以起始点为原点E，EZ指向地心，水平面采用北东坐标系；再定义动坐标系(o-xyz)，动坐标系与载人潜水器固联在一起，将ox轴与载人潜水器的主对称轴取向一致，而oy轴与辅助对称轴取向一致，u、v表示载人潜水器沿动坐标系两维速度；载人潜水器在下一时刻的位置值推算公式为Xk+1＝Xk+Ts(12)Yk+1＝Yk+Ts所述θ为载人潜水器在固定坐标系中的航向角，ψ为载人潜水器在固定坐标系中的纵倾角，k时刻的载人潜水器的位置为Xk，Yk，运动坐标系中的速度值为u(k)，v(k)，Ts为位置时延；所述航向角θ、纵倾角ψ、两维速度值u，v是载人潜水器的导航设备数据通过卡尔曼滤波器的数据综合得到；其中所述超短基线定位声纳测量到的载人潜水器的位置值为卡尔曼滤波器的新值；步骤4)所述延时超短基线测量数据融合方法具体为设超短基线定位声纳测量的载人潜水器位置信息中的声波在水中的传播时间长度为t＝d*Ts，在t＝k*Ts时刻水下超短基线水声信标向超短基线定位声纳的收发换能器发出应答信号，载人潜水器在声波在水中传输的时延t＝(k+d)*Ts接收到k时刻的载人潜水器位置信息Xkm，Ykm；在t＝(k+d)*Ts时刻载人潜水器的位置估计式为Xk+d=Xk+Σi=1dTs]]>(13)；Yk+d=Yk+Σi=1dTs]]>其中，d为时间间隔，Ts为时间计量单位；k为第k次测量；Xk，Yk为k时刻载人潜水器位置的估计，u、v是载人潜水器在水平面的两维运动速度，θ是载人潜水器的航向角，ψ是载人潜水器的纵倾角；令ΔXd=Σi=1dTs]]>(14)；ΔYd=Σi=1dTs]]>则根据k时刻测量值Xkm，Ykm和k时刻估计值Xk，Yk，应用卡尔曼滤波公式，得到k时刻的最优估计 进一步获得(k+d)时刻载人潜水器位置的最优估计值为X^(k+d|k)=X^(k|k)+ΔXd]]>(15)；Y^(k+d|k)=Y^(k|k)+ΔYd]]>其中X，Y每隔d*Ts秒刷新一次，其余变量如载人潜水器的运动速度和航向角，每隔Ts秒刷新一次；所述不用投放固定水声信标确定载人潜水器在惯性坐标系中坐标的确定方法是将载人潜水器的固定坐标转化到惯性导航坐标系中，用经纬度表示载人潜水器的坐标。具体为确定固定坐标系(E-XYZ)，其中以母船为原点E，EZ指向地心，水平面采用北东坐标系；将固定坐标转化到惯性坐标系中，用经纬度表示载人潜水器的坐标；载人潜水器在惯性坐标系中的经纬度坐标值计算式为 L=Lo-360R·Y---(16);]]>其中，(λ0，L0)是作业母船起始位置的经纬度坐标，X，Y是载人潜水器在固定坐标系中的坐标值，R为地球半径。本专利技术提出的载人潜水器组合导航定位方法是选取多路的导航信号，然后把多路导航信号进行数据综合，得到新的比每一路的导航信号都优的导航数据估算值，估算出的导航数据即平滑又更接近实际值。本专利技术具有如下优点1、本专利技术提出了一种载人潜水器的组合导航方法。这种方法是把各路的导航信号通过数字滤波器进行综合，而不是导航信号的简单的备份。这种组合导航方法得到的载人潜水器的导航信号，形成连续、稳定的导航数据，即平滑又具有界性，最大的接近载人潜水器的实际航行位置值。2、本专利技术提出了延时超短基线测量数据融合方法。3、本专利技术使用一种新型的确定载人潜水器在惯性坐标系中坐标的方法，免去在海中投放固定水声信标的麻烦。附图说明图1载人潜水器导航定位系统组成示意图。图2导航系统数据流结构图。图3卡尔曼滤波器结构图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。载人潜水器是无缆潜水器，载人潜水器与作业母船通过水声通讯机联系。载人潜水器的导航定位系统由水上、水下两部分组成，水上部分包括水面监控计算机(含计算机数据处理系统，载人潜水器状态信息显示系统)，超短基线定位声纳数据处理系统和超短基线定位声纳的收发换能器，GPS(全球定位系统)接收机，水声通讯机的水上系统。GPS接收机可以确定母船在惯性坐标系中的坐标，通过水声通讯机将母船在惯性坐标系中的坐标传送给水下载人潜水器。超短基线定位声纳数据处理系统、超短基线定位声纳的收发换能器和水下载人潜水器上的水声信标组成独立水声定位系统，可以测量到载人潜水器与母船相对位置。导航定位系统的水下部分包括水下导航计算机和各种水下导航设备和传感器，导航设备以运动传感器为主，辅助以多普勒测速声纳、数字罗盘、光纤陀螺、超短基线定位声纳的水下信标、深度计、避碰及测高声纳、倾角仪等组成组合导航系统。各路导航数据输入到水下导航计算机，通过卡尔曼滤波器(为本专利技术计算机程序)进行最优数据综合，为载人潜水器驾驶员提供高精度、连续的导航数据。载人潜水器导航定位系统的水上和水下两部分组成如图1所示，其中运动传感器是惯性导航设备，用于测量载体的三维运动参数，提供潜水器3个轴向速度和加速度分量，提供艏摇、横摇、纵摇3个角速度分量。所述载人潜水器导航定位系统所获得的导航数据以运动传感器数据为主，辅助以多普勒测速声纳、数字罗盘、GPS接收机、超短基线定位声纳(含超短基线定位声纳数据处理系统、超短基线定位声纳的收发换能器及水声信标)、光纤陀螺、倾角仪、深度计、避碰及测高声纳等导航设备数据。为了进行准确的载人潜水器的位置估计，本专利技术对上述数据进行筛选和综合。图2载人潜水器导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种载人潜水器的组合导航定位方法，其特征在于按如下步骤操作：１）取运动传感器和多普勒测速声纳的速度值，通过第一级卡尔曼滤波器综合，得到最优的载人潜水器速度值；２）由卡尔曼滤波器综合出的载人潜水器最优速度值和航向角、纵倾角推算载人潜水器位置值；３）取超短基线定位声纳测量的位置值，将超短基线定位声纳测量的位置值和推算出的载人潜水器位置值通过第二级卡尔曼滤波器综合，得到最优的载人潜水器位置值；４）采用延时超短基线测量数据融合方法，实现用过去的超短基线测量载人潜水器位置数据，对现在载人潜水器位置推算数据的矫正；５）不用投放固定水声信标确定载人潜水器在惯性坐标系中坐标。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于开洋，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：89[]