專利名稱：一種基于海流剖面的uuv輔助導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種UUV導(dǎo)航方法，尤其涉及一種基于UUV搭載的DVL聲納數(shù)據(jù)失效情況下海流剖面輔助導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
隨著水下無人航行器UUV (Unmanned Underwater Vehicle)在海洋開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)UUV導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求也越來越高。傳統(tǒng)航位推算法是UUV中目前最常用的導(dǎo)航方法之一，這種方法依賴于多普勒測(cè)速儀(DVL)采集的速度數(shù)據(jù)和姿態(tài)傳感器采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)。但是，當(dāng)UUV在轉(zhuǎn)彎、海水較深超過DVL底跟蹤的最大范圍等情況下可能發(fā)生失效，DVL —旦失效或者由于性能下降導(dǎo)致UUV的實(shí)時(shí)速度無法獲得，只能采用DVL失效前幾拍的速度信息，而UUV的速度在復(fù)雜海洋環(huán)境下是實(shí)時(shí)變化的，從而對(duì)UUV的導(dǎo)航產(chǎn)生較大的影響，推算的UUV位置信息偏差會(huì)越來越大。因此在DVL失效時(shí)，尋求一種能夠有效避免因速度傳感器失效或者故障導(dǎo)致航位推算產(chǎn)生較大導(dǎo)航誤差的問題，就顯得尤為迫切。目前，國(guó)內(nèi)外試圖尋求一種有效的在UUV測(cè)速傳感器失效情況下能夠輔助UUV導(dǎo)航的手段。如莫軍在文獻(xiàn)《基于海流數(shù)據(jù)庫(kù)的水下導(dǎo)航信息融合方法探討》(系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002年，第14卷第10期)中提出了基于海流數(shù)據(jù)庫(kù)的水下導(dǎo)航信息融合方法，該方法需要大量的工作海域的海流信息，工作量大，難以推廣。2009年，中國(guó)海軍工程大學(xué)的吳太旗等人在文獻(xiàn)《重力場(chǎng)輔助水下導(dǎo)航仿真及分析平臺(tái)的構(gòu)建》(艦船科學(xué)技術(shù)，2009年，第 31卷第2期)中提出了利用重力場(chǎng)進(jìn)行水下無人航行器輔助導(dǎo)航的方法，該方法需要增加重力傳感器、重力基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)等軟硬件，增加了 UUV系統(tǒng)的復(fù)雜性。2007年，挪威0yvind Hegrenffis《Comparison of Mathematical Models for the HUGIN 4500 AUV Based on Experimental Data)) (International Symposium on Underwater Technology) 中提出了利用UUV動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行輔助導(dǎo)航的方法，而UUV動(dòng)力學(xué)模型涉及的參數(shù)較多，難以準(zhǔn)確確定UUV的動(dòng)力學(xué)模型，從而無法保證導(dǎo)航的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種當(dāng)UUV搭載的DVL (多普勒測(cè)速儀，Doppler Velocity Log)失效時(shí)能夠利用ADCP(聲學(xué)多普勒海流剖面儀，Acoustic Doppler Current Profile) 測(cè)得的海流剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助自身導(dǎo)航的于海流剖面的UUV輔助導(dǎo)航方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的包括下列步驟(1)海流剖面數(shù)據(jù)和DVL速度獲取利用UUV攜帶的控制計(jì)算機(jī)控制ADCP發(fā)射一定頻率的聲波，利用多普勒效應(yīng)獲取下部緊貼UUV水層厚度的海流剖面；利用UUV攜帶的控制計(jì)算機(jī)控制DVL發(fā)射一定頻率的聲波，利用多普勒效應(yīng)獲取 DVL的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman濾波
根據(jù)海流環(huán)境以及UUV自身模型的特點(diǎn)，建立海流剖面數(shù)據(jù)Kalman濾波數(shù)據(jù)模 型；并參照海流高頻殘差的數(shù)量級(jí)確定海流Kalman濾波數(shù)據(jù)模型中的觀測(cè)噪聲方差R，同 時(shí)根據(jù)DVL測(cè)得的UUV速度信息動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程噪聲方差Q值的大?。?3) “UUV速度-海流信息”關(guān)系庫(kù)建立當(dāng)DVL導(dǎo)航聲納數(shù)據(jù)有效時(shí)，利用DVL測(cè)得的UUV速度、OCTANS姿態(tài)傳感器測(cè)量 得到的UUV的航向信息，ADCP測(cè)量得到的海流剖面數(shù)據(jù)，建立“UUV速度-海流信息”關(guān)系 庫(kù)；(4)海流剖面輔助導(dǎo)航當(dāng)DVL導(dǎo)航聲納數(shù)據(jù)失效時(shí)，利用“UUV速度-海流信息”關(guān)系庫(kù)，以及ADCP聲納 實(shí)時(shí)測(cè)得的海流剖面信息，推算UUV的導(dǎo)航速度；再根據(jù)初始UUV的經(jīng)纟韋度和船位推算算法 得到推算UUV的位置信息。所述UUV的位置信息的獲取方法為推算的UUV導(dǎo)航速度在正東方向和正北方向的分量如下式
權(quán)利要求
1.一種基于海流剖面的UUV輔助導(dǎo)航方法，其特征是包括下列步驟(1)海流剖面數(shù)據(jù)和DVL速度獲取利用UUV攜帶的控制計(jì)算機(jī)控制ADCP發(fā)射一定頻率的聲波，利用多普勒效應(yīng)獲取下部緊貼UUV水層厚度的海流剖面；利用UUV攜帶的控制計(jì)算機(jī)控制DVL發(fā)射一定頻率的聲波，利用多普勒效應(yīng)獲取DVL 的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman濾波根據(jù)海流環(huán)境以及UUV自身模型的特點(diǎn)，建立海流剖面數(shù)據(jù)Kalman濾波數(shù)據(jù)模型；并參照海流高頻殘差的數(shù)量級(jí)確定海流Kalman濾波數(shù)據(jù)模型中的觀測(cè)噪聲方差R，同時(shí)根據(jù) DVL測(cè)得的UUV速度信息動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程噪聲方差Q值的大??；(3)“UUV速度-海流信息”關(guān)系庫(kù)建立當(dāng)DVL導(dǎo)航聲納數(shù)據(jù)有效時(shí)，利用DVL測(cè)得的UUV速度、OCTANS姿態(tài)傳感器測(cè)量得到的UUV的航向信息，ADCP測(cè)量得到的海流剖面數(shù)據(jù)，建立“UUV速度-海流信息”關(guān)系庫(kù)；(4)海流剖面輔助導(dǎo)航當(dāng)DVL導(dǎo)航聲納數(shù)據(jù)失效時(shí)，利用“UUV速度-海流信息”關(guān)系庫(kù)，以及ADCP聲納實(shí)時(shí)測(cè)得的海流剖面信息，推算UUV的導(dǎo)航速度；再根據(jù)初始UUV的經(jīng)緯度和船位推算算法得到推算UUV的位置信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于海流剖面的UUV輔助導(dǎo)航方法，其特征是所述UUV 的位置信息的獲取方法為推算的UUV導(dǎo)航速度在正東方向和正北方向的分量如下式 \vE = vF sin H -vlcosH [vw = vp cosH +vL sin H式中VE、VN——分別為載體航行速度在正東方向和正北方向的分量； VF> Vl——分別為DVL測(cè)得的載體相對(duì)大地的前向速度和左向速度； H——UUV載體的航向角，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，由羅經(jīng)測(cè)得； UUV位置由下面的公式計(jì)算得到ηJ = J0+T^vEX1-VAt 1rMX1-DZ=I<ηW = W0+YjVn ^At/Rncj^ 、 i=l式中At—DVL采樣周期；J、W——分別為η時(shí)刻UUV載體所在位置的經(jīng)度和緯度；Jo>W0——分別為初始時(shí)刻載體的經(jīng)度和緯度，由GPS接收機(jī)測(cè)得；νΕ, α-^ν,^——分別為i-Ι時(shí)刻UUV航行速度在正東方向和正北方向的分量；R , U-D^Rn, (i-D—分別為i-1時(shí)刻地球子午曲率半徑和緯度圈曲率半徑。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于海流剖面的UUV輔助導(dǎo)航方法。首先建立海流剖面數(shù)據(jù)Kalman濾波模型，然后根據(jù)環(huán)境的變化以及UUV自身速度的變化，確定Kalman方程中的觀測(cè)噪聲方差R和過程噪聲方差Q，最后建立“UUV速度-海流剖面”關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，利用該關(guān)系庫(kù)以及ADCP測(cè)得的海流剖面信息，推算DVL失效時(shí)的UUV速度，進(jìn)而通過船位推算方法得到UUV的導(dǎo)航位置。本發(fā)明的有益效果在于UUV在水下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，一旦DVL聲納數(shù)據(jù)失效，可以使用ADCP海流剖面信息推算UUV速度，使得UUV在大深度等復(fù)雜海洋環(huán)境下可以繼續(xù)執(zhí)行海洋勘探任務(wù)，提高UUV的環(huán)境適應(yīng)能力。
文檔編號(hào)G01S15/58GK102323586SQ20111019674
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者周佳加, 張偉, 張勛, 張宏瀚, 徐健, 李舉峰, 邊信黔, 陳濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)