基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统

摘要

本发明公开了一种基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统，包括：多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、数据采集模块和海底地形匹配模块，多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、海底地形匹配模块均与数据采集模块相连。本发明多波束综合多普勒计程仪具有更多测点、全覆盖、高精度的优点，能更准确全面地反映水下地形的起伏变化情况。将多波束综合多普勒计程仪与海底地形匹配模块结合，形成本发明基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统。相比于传统的水下地形导航系统，本发明不受时间限制，在长时间航行过程中也可保证实时导航信息的精确性。

说明书

技术领域

本发明涉及水下航行器的水下导航应用技术领域，具体为一种基于声学多普勒计程 仪的水下地形匹配导航系统。

背景技术

自主水下航行器是世界各国大力发展的海洋运载器，在海洋保护、海洋资源开发等 领域具有极大的应用价值，如水下搜索、海底绘图、海底监控、管道铺设、海底作业等。 导航问题是水下航行器应用所面临的主要技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工 作与安全回收的重要要求，水下航行器导航方法的研究一直是国内外的研究热点。

由于水下环境的局限，目前水下航行器导航的主要方法是航位推算、INS(惯性导 航系统)、水下声学计程仪导航等。而以上的种种导航手段在没有修正信息的情况下， 误差会随着航行时间或航行距离的增加而积累或发散，难以满足长时间导航定位的要 求。并且传统的声学多普勒计程仪也有诸多限制，如只有一种工作方式、发射波束少、 测点少、不够精确、效率低等。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高精度、高效率的基于声学多普勒计 程仪的水下地形匹配导航系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、多波束综合多普勒计程仪，包括：

声学基阵、GPS模块、INS模块、声速剖面仪、处理系统、多路收发转换模块和多 通道相控功率放大装置，声学基阵、多路收发转换模块、多通道相控功率放大装置、处 理系统依次相连，另外，处理系统还与GPS模块、INS模块、声速剖面仪相连；

其中，声学基阵是由484个第一压电基元和484个第二压电基元间隔排列而成的圆 形平面基阵，第一压电基元和第二压电基元规格相同；圆形平面基阵排列成32行32列， 各行和各列的压电基元数均为偶数，相邻压电基元中心间距为发射波波长的一半；分别 将声学基阵各行的第一压电基元的独立抽头并联，获得X方向的32个子阵；分别将声 学基阵各列的第二压电基元的独立抽头并联，获得Y方向的32个子阵。

上述第一压电基元和第二压电基元均为正方形。

上述多路收发转换单元包括64路发射机和64路接收机，各路发射机分别驱动各子 阵，各路接收机分别接收各子阵接收的回波信号。

二、基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统，包括：

多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、数据采集模块和海底地 形匹配模块，多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、海底地形匹配 模块均与数据采集模块相连；其中：

多波束综合多普勒计程仪用来获得多测点的水深数据以及水下航行器的纵向速度 和横向速度；差分全球定位系统用来获得水下航行器的经纬度信息和航向信息；平台罗 经用来获得水下航行器在航行状态下的姿态信息；数据采集模块用来采集和存储多波束 综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经获得的数据；海底地形匹配模块用来 基于数据采集模块采集的数据进行海底地形匹配。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

本发明对传统声学多普勒计程仪进行改造，设计出多波束综合多普勒计程仪，多波 束综合多普勒计程仪不影响水下航行器本身的湿端结构，也不会影响水下航行器本身的 结构强度。传统声学多普勒计程仪只能发射四波束，而多波束综合计程仪声呐可发射多 波束，同时还具有测速和测深的功能。

本发明多波束综合多普勒计程仪具有更多测点、全覆盖、高精度的优点，能更准确 全面地反映水下地形的起伏变化情况。将多波束综合多普勒计程仪与海底地形匹配模块 结合，形成本发明基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统。相比于传统的水下 地形导航系统，本发明不受时间限制，在长时间航行过程中也可保证实时导航信息的精 确性。

附图说明

图1是本发明水下地形匹配导航系统的结构示意图；

图2是海底地形匹配模块的工作流程图；

图3是声学多普勒计程仪测深工作原理示意图；

图4是本发明多波束综合多普勒计程仪的具体结构示意图；

图5是本发明声学基阵的具体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细描述。

见图1，本发明水下地形匹配导航系统主要包括多波束综合多普勒计程仪、DGPS 定位系统(差分全球定位系统)、平台罗经、数据采集模块和海底地形匹配模块。多波 束综合多普勒计程仪作为本系统的传感器，用来测量多测点的水深数据以及水下航行器 的纵向速度和横向速度，在传统声学多普勒计程仪的基础上形成多波束测深和测速的分 时测量。DGPS定位系统用来提供水下航行器的高精度经纬度信息，并提供水下航行器 的航向信息用于操船。平台罗经用于提供航行状态下水下航行器的姿态信息，例如船的 纵摇、横摇及航向等。数据采集模块用于采集和存储多波束综合多普勒计程仪、DGPS 定位系统和平台罗经获得的数据。海底地形匹配模块用来根据数据采集模块采集的数 据，构建地形基准数据库，并进行地形匹配。

见图2，本发明海底地形匹配模块的工作流程为：

1)获取实时海底地形数据：

采用海底地形传感器采集海底地形数据。本发明中海底地形传感器即多波束综合多 普勒计程仪，采用多波束综合多普勒计程仪实测海底地形数据。仿真系统中，需要对海 底地形传感器进行误差建模，并在基准数据中截取并添加噪声，作为仿真的实时数据。

2)实时海底地形数据预处理：

数字海底地形基准数据是按照一定规格分布的数字信息，如将地球基准面均匀划分 为网格，存贮网格内海底地形深度信息的平均值。由于海底地形传感器获取的是不规则 分布的数字信息，当水下航行器水平方向的姿态角不为零时，需要进行坐标变换来获得 水下航行器正下方的实时数据，这是进行地形匹配的前提。

另外，声波虽然能在海洋中远距离传播，但在传播的过程中，海洋潮汐、波浪、涡 流及海水的温度分布和盐度分布、海面、海中包含的各种不均匀体如气泡和生物等，都 能产生很大的影响，使得利用声波测量出的数据存在着较大误差，数据预处理时，要考 虑到这些方面的因素，并进行建模和补偿。由于INS(惯性导航系统)可提供高精度的 导航信息，因此可根据INS输出的位置、速度、姿态等信息对实时数据进行预处理，从 而产生可用于地形匹配的实时海底地形数据。

3)实时海底地形数据的可匹配性判别：

按事先设计的性能指标(如匹配概率、匹配速度等要求)对预处理后的实时海底地 形数据进行可匹配性判别，只有实时海底地形数据满足设计的性能指标要求时，才进行 地形匹配，否则不进行地形匹配而直接转入导航信息融合处理。

4)结合海底地形数据库进行地形匹配：

海底地形数据库用于存储海底数字地形基准图，该海底数字地形基准图采用二维平 面坐标，采用WGS-84大地坐标系。目前，海底数字地形基准图较常用的制作方法包括 采用船载声纳、声纳阵列、侧扫声纳、多波束声纳、机载激光测距系统等，并辅以GPS 进行直接测量得到海底地形的原始数据。经后期数据处理，得到用于地形辅助导航的数 字海图。目前后期处理的主要步骤包括：将原始地形栅格化，各网格记录下对应地形的 “代表高程”，通常“代表高程”取为网格的平均高程。网格距离的大小与所需定位精 度和存储量有关，一般网格距离可取50-100m，同时网格取为正方形。

数字地图的存储通常采用网格形式直接存储，也有以压缩方式进行存储以节省存储 空间。但是以目前微电子发展趋势来看，存储容量问题可以不用考虑。另外的一个问题 就是读取，按当前计算机运算能力和读写速度，对水下航行器而言，已可基本满足数据 IO要求。

将预处理后的实时海底地形数据与海底数字地形基准图进行匹配，并输出匹配信 息。

5)性能评估：

在各地形匹配导航时刻点，将采集的海底地形数据与海底数字地形基准图进行匹 配，匹配信息是否可用以及匹配信息在最终信息融合中所占的信息权重，需要进行评价， 以确定该匹配信息的可用程度，剔除不可用的匹配信息，最终对有效的海底地形匹配信 息进行数据融合。

6)智能信息融合：

将有效的海底地形匹配信息和INS输出信息进行智能融合，从而获得导航参数信 息，并可对INS进行校正。

见图3，声学多普勒计程仪的测深工作原理如下：

声学多普勒计程仪是基于多普勒效应实现海底测深。若从航行中的水下航行器斜向 海底发射声波，并接收海底的反射信号，则接收信号频率f_np与发射信号频率f_u的差值f_d取决于水下航行器速度：

f_d＝f_np-f(1)

目前，声学多普勒计程仪采用双波束基阵，波束对称配置在垂线两侧，从而单波束 时多普勒频率与速度的非线性关系被消除。此时多普勒频移由船艏和船尾接收的基阵 波束信号频率差决定：

$f_{\partial }=f_{npF}-f_{npB}=\frac{4V}{c}{f}_{u}cos\alpha ---\left(2\right)$

水下航行器航行速度V为：

$V=\frac{c}{4f_{u}cos\alpha }·f_{\partial }=K_v^{-1}{f}_{\partial }---\left(3\right)$

公式(2)～(3)中，V表示水下航行器航行速度；c表示海洋中声速；f_npF表示船 艄接收的基阵波束信号频率，f_npB表示船尾接收的基阵波束信号频率；α表示波束俯角， 即波束发射方向与水下航行器航行方向的夹角；表示频率增益系数。

声学多普勒计程仪的测深工作范围可以达到几千米，测深精度为1％-2％。对地测速 精度，当速度≤10节，误差＜0.1节；当速度＞10节，误差＜1％。

实际应用中，声学多普勒计程仪声波发射沿基阵四个波束方向同时进行，见图3， 基阵波束1和3对称配置在水下航行器的径向面，基阵波束2和4对称配置在水下航行 器的径横向面，组成基阵方向性图的“JANUS”结构。波束对垂线具有一定的倾角，这 样就可以实现对船的横向与纵向速度的同时测量。

同时，声学多普勒计程仪是工作在脉冲方式的主动式水声设备，其采用脉冲测距法， 利用接收回波与发射脉冲信号间的时间差来进行测深。从图3可以看出，基阵波束1、 基阵波束2、基阵波束3和基阵波束4分别沿着前后左右四个方向发射到水中，即可以 同时测得测点A、B、C、D处的水深信息。这样，水下航行器航行时，则可同时测得三 条线的水深数据，即AC线及分别过D点、B点与AC平行的两条线。

传统声学多普勒计程仪为四波束回声仪，由于波束数较少，本发明进而设计了多波 束综合多普勒计程仪，其结构示意图见图4。多波束综合多普勒计程仪由声学基阵、GPS 单元、INS单元(惯性导航单元)、声速剖面仪、处理系统、多路收发转换单元及多通 道相控功率放大单元构成。GSP单元用来提供水下航行器的当前位置信息。不同深度水 层，海水成分不同，导致声波的传播速度也不同，声速剖面仪用来测量相应水层的声速， 然后利用公式(3)计算出水下航行器航行速度。INS单元用来实现水下航行器的水下 定位。因为海水会大幅削弱电磁信号，水下航行器长时间在水下时，将无法接收到GPS 定位信息，则需要依靠INS单元进行定位。但INS单元定位存在积累误差，所以在水下 航行器浮出水面时再利用GPS单元对水下航行器定位信息进行修正。多通道相控功率 放大单元根据处理系统的指令，控制多路收发转换单元的工作状态(发射状态或接收状 态)，多路收发转换单元通过声学基阵发射声波或从声学基阵接收回波。由于多通道相 控功率放大单元、多路收发转换单元和声学基阵间传播的是电信号，所以多通道相控功 率放大单元、多路收发转换单元、声学基阵依次电连接。

发射声波时，处理系统控制多通道相控功率放大单元对发射信号进行放大，经多路 收发转换单元传输到声学基阵，控制声学基阵以一个较大的开角向水下发射声波。

接收回波时，声学基阵接收到的回波信号经多路收发转换单元，传输至多通道相椌 功率放大单元，并送至处理系统，处理系统结合GPS单元、INS单元、声速剖面仪获取 的信息进行综合处理，以获得测点的水深数据以及水下航行器的纵向速度和横向速度。

由于多波束综合多普勒计程仪能同时接收几十束甚至上百束声波，那么每发出一个 声波，便可在垂直航线方向得到一组水深数据。与传统四波束回声仪相比，多波束综合 多普勒计程仪最大的优点是多测点、全覆盖、高精度，从而可更准确全面地反映水下地 形的起伏变化情况。

图5为声学基阵的具体结构示意图，该声学基阵是由968个相同规格的压电基元排 列而成的圆形平面基阵，该圆形平面基阵排列成32行32列，各行和各列的压电基元数 均为偶数，并且相邻压电基元中心间距为发射波波长的一半。将压电基元分为第一压电 基元和第二压电基元，第一压电基元和第二压电基元间隔布置，即第一压电基元的相邻 压电基元均为第二压电基元，第二压电基元的相邻压电基元均为第一压电基元，本具体 实施中第一压电基元和第二压电基元数量均为484。见图5，中心有点的压电基元表示 第一压电基元，剩下的压电基元即第二压电基元。

对声学基阵的第i行，将该行第一压电基元的独立抽头并联，即构成Xi方向子阵， Xi方向子阵(i＝1,2,...32)构成X方向基阵。同理，对声学基阵的第j列，将该列第二 压电基元的独立抽头并联，即构成Y_j方向子阵，Y_j方向子阵(j＝1,2,...32)构成Y方 向基阵。本具体实施中，X方向基阵和Y方向基阵均包括32个子阵，即声学基阵包括 64个子阵。

由于声学基阵包括64个子阵，则采用64路发射机和64路接收机，各路发射机分 别驱动各子阵，即可在X方向和Y方向同时形成相控波束；各路接收机分别接收各子 阵接收的回波信号。基于已有的半波长布阵技术，对本发明声学基阵，波束宽度大约为 3.2度，考虑到收发合置，假设多波束功能需达到4倍水深覆盖，即波束开角为126度， 共需要42个波束。

将42个窄波束分成14组，每一组各有3个窄波束。

发射顺序如下：

第1组的第1个窄波束、第2组的第1个窄波束、…、第14组的第1个窄波束；

第1组的第2个窄波束、第2组的第2个窄波束、…、第14组的第2个窄波束；

第1组的第3个窄波束、第2组的第3个窄波束、…、第14组的第3个窄波束。

64个子阵可采用独立相椌技术控制，即64子阵输入同幅异相信号，其相位可以控 制，可分时实现测速和测深功能，时间区分可以自用调节，灵活控制。

(1)测速模式

因为独立相椌，X₁-X₈方向子阵、X₁₇-X₂₄方向子阵、Y_1-Y₈方向子阵、Y₁₇-Y₂₄方向 子阵输入相同幅度和相同相位的第一信号，X₉-X₁₆方向子阵、X₂₅-X₃₂方向子阵、、Y₉-Y₁₆方向子阵、Y₂₅-Y₃₂方向子阵输入相同幅度和相同相位的第二信号，第一信号和第二信号 的相位差为180度，从而可在X方向和Y方向的±30°方向形成四个独立波束。利用传 统的测速技术即可实现测速功能。

(2)测深模式

对X₁-X₃₂方向子阵和Y₁-Y₃₂方向子阵，采取传统有的旋转定向(RotatedDirectional Transmitting)技术即可获得所需的42个波束。利用传统的测深技术即可实现测深功能。

本发明由许可的权利要求限定，于是上述提供的说明应被看作对可应用于不同的可 能实施例子的本质的举例说明。