一种水下移动平台导航方法以及水下移动平台导航装置

摘要

本申请提供了一种水下移动平台导航方法。所述水下移动平台导航方法包括：获取捷联式惯性导航系统生成的第一导航信息；获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息；获取北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息；根据第一导航信息以及第二导航信息生成第一融合导航信息；根据第一融合导航信息以及修正导航信息生成第二融合导航信息；根据第二融合导航信息生成导航控制信息；根据导航控制信息控制水下移动平台运动。本申请的水下移动平台导航方法通过组合导航技术进行修正误差的辅助导航技术，旨在采用高精度的导航技术对SINS随时间累积的误差进行校正，同时保证AUV的自主性和隐蔽性。

说明书

技术领域

本申请属于水下无线平台技术领域，特别涉及一种水下移动平台导航方法以及水下移动平台导航装置。

背景技术

自主式水下潜航器(AUV)水下导航技术的准确性是在水下开展搜索、探测及反潜等任务的有力保障。现有AUV的导航方法大多以捷联惯性导航系统(SINS)为主。

捷联惯性导航系统的当前位置是在前一时刻位置的基础上推算出来的,随着迭代次数的增加误差也会跟着累积,再加上设备安装、测量等过程中的固有误差,这些因素都会大大降低其定位精度。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种水下移动平台导航方法，以解决上述至少一方面的问题。

在本申请的第一方面，一种水下移动平台导航方法，所述水下移动平台导航方法包括：

获取捷联式惯性导航系统生成的第一导航信息；

获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息；

获取北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息；

根据所述第一导航信息以及第二导航信息生成第一融合导航信息；

根据所述第一融合导航信息以及所述修正导航信息生成第二融合导航信息；

根据所述第二融合导航信息生成导航控制信息；

根据所述导航控制信息控制水下移动平台运动。

可选地，所述获取捷联式惯性导航系统生成的第一位置信息包括：

获取水下移动平台的加速度信息；

获取水下移动平台的三轴加速度信息；

根据所述加速度信息以及三轴加速度信息生成所述第一位置信息。

可选地，所述获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息包括：

获取多普勒计程仪所获取的速度信息；

根据所述速度信息生成第二导航信息。

可选地，所述获取通过北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息包括：

判断是否具有卫星导航信号，若有，则通过所述北斗卫星导航系统生成所述修正导航信息；

若否，则通过所述磁罗盘系统生成所述修正导航信息。

可选地，所述通过所述北斗卫星导航系统生成所述修正导航信息包括：

向北斗卫星发送位置请求信息；

获取北斗卫星发送的位置信息；

根据所述位置信息生成所述修正导航信息。

可选地，所述通过所述磁罗盘系统生成所述修正导航信息包括：

获取初始匹配位置；

判断初始匹配位置是否大于预设误差值，若是，

则采用T算法进行处理，生成位置偏差信息；

根据位置偏差信息生成匹配位置信息；

根据所述偏差信息以及位置匹配信息生成修正导航信息。

可选地，所述通过所述磁罗盘系统生成所述修正导航信息包括进一步包括：

判断初始匹配位置是否大于预设误差值，若否，

则采用S算法生成修正导航信息。

本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的水下移动平台导航方法。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时能够实现如上所述的水下移动平台导航方法。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的水下移动平台导航方法通过组合导航技术，以捷联式惯性导航系统(SINS)为主，借助多普勒速度声呐(DVL)、北斗卫星导航系统(BDS)和磁罗经导航(MCP)进行修正误差的辅助导航技术，旨在采用高精度的导航技术对SINS随时间累积的误差进行校正，同时保证AUV的自主性和隐蔽性。

附图说明

图1是本申请一个实施例中的水下移动平台导航方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示的水下移动平台导航方法包括：

步骤1：获取捷联式惯性导航系统生成的第一导航信息；

步骤2：获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息；

步骤3：获取北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息；

步骤4：根据第一导航信息以及第二导航信息生成第一融合导航信息；

步骤5：根据第一融合导航信息以及修正导航信息生成第二融合导航信息；

步骤6：根据第二融合导航信息生成导航控制信息；

步骤7：根据所述导航控制信息控制水下移动平台运动。

采用本申请的水下移动平台导航方法与现有技术相比主要有以下优点：

1.本系统为了提高导航系统的整体性能，需要将多种种导航系统结合使用，优势互补，克服一种导航装置单独工作的缺点，并采用卡尔曼滤波算法将其组合起来形成组合导航系统。

2.在AUV航行深度及速度稳定后，BDS信号接收天线浮上水面接收BDS信号，为SINS进行有源校准，校准结束后回收BDS信号接收天线。此种方式保证了AUV航行过程中的隐蔽性，降低了AUV上升过程中的能量消耗。

3.在使用地磁导航修正SINS导航偏差的过程中，采用T+S+Kalman的组合方式，充分利用了T算法和S算法各自的优势，取长补短，既利用了T系统在初始匹配误差很大时仍能很好地工作的特点，增加了S算法的可靠性，放宽了S算法在初始误差很大时将导致误匹配的限制，又利用了S算法在初始误差不大时精度很高的特点，得到最佳匹配位置，再经过Kalman滤波器得到最优的估计位置，输出给惯性导航系统来补偿其误差的积累。

在本实施例中，获取捷联式惯性导航系统生成的第一位置信息包括：

获取水下移动平台的三轴加速度信息，具体地，三轴加速度信息包括水下移动平台的所在运动坐标系的x轴、y轴、z轴加速度信息；

根据三轴加速度信息生成第一位置信息。

在本实施例中，获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息包括：

获取多普勒计程仪所获取的速度信息；

根据速度信息生成第二导航信息。

在本实施例中，获取通过北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息包括：

判断是否具有卫星导航信号，若有，则通过北斗卫星导航系统生成所述修正导航信息；

若否，则通过磁罗盘系统生成所述修正导航信息。

在本实施例中，通过北斗卫星导航系统生成修正导航信息包括：

向北斗卫星发送位置请求信息；

获取北斗卫星发送的位置信息；

根据位置信息生成修正导航信息。

在本实施例中，通过磁罗盘系统生成修正导航信息包括：

获取初始匹配位置；

判断初始匹配位置是否大于预设误差值，若是，

则采用T算法进行处理，生成位置偏差信息；

根据位置偏差信息生成匹配位置信息；

根据所述偏差信息以及位置匹配信息生成修正导航信息。

在本实施例中，通过所述磁罗盘系统生成修正导航信息包括进一步包括：

判断初始匹配位置是否大于预设误差值，若否，

则采用S算法生成修正导航信息。

本申请还提供了一种水下移动平台导航装置，所述水下移动平台导航装置包括第一导航信息获取模块、第二导航信息获取模块、修正导航信息获取模块、第一融合导航信息生成模块、第二融合导航信息生成模块、导航控制信息生成模块以及动力系统，其中，

第一导航信息获取模块用于获取捷联式惯性导航系统生成的第一导航信息；

第二导航信息获取模块用于获取多普勒速度声呐系统生成的第二导航信息；

修正导航信息获取模块用于获取北斗卫星导航系统或者磁罗盘系统生成的修正导航信息；

第一融合导航信息生成模块用于根据第一导航信息以及第二导航信息生成第一融合导航信息；

第二融合导航信息生成模块用于根据所述第一融合导航信息以及修正导航信息生成第二融合导航信息；

导航控制信息生成模块用于根据第二融合导航信息生成导航控制信息；

动力系统用于根据所述导航控制信息控制水下移动平台运动。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于本实施例的装置，此处不再赘述。

在本实施例中，捷联式惯性导航系统把惯性测量元件(陀螺仪和加速度计)直接安装在本体上，利用惯性测量单元基准方向及最初的位置信息来确定运载体的姿态、方位、速度和位置的自主式推算导航系统。激光惯组用陀螺敏感载体坐标系方向的角速度和加速计敏感载体坐标系方向的比力，通过四元数积分算法建立载体坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵，将比力增量转换到导航坐标系，从而建立数学平台。对比力增量进行积分得到速度、位置参数，并计算载体的航向、姿态参数，完成纯惯性导航计算。通过串行通信接收多普勒计程仪数据，并完成Kalman滤波算法，得出经修正的速度、位置、航向、姿态参数，然后通过串行通信口发送给中央控制单元。

水下多普勒计程仪普遍采用固定波速方向的四波速系统。即发射的声波波速的方向相对多普勒测速仪的仪表坐标系的角度位置固定不变，多普勒计程仪在AUV上安装时使其仪表坐标系与AUV载体坐标系各轴平行且方向保持一致，此时反应在多普勒计程仪仪表坐标系的速度也就是AUV载体坐标系的速度。多普勒计程仪主要用于修正激光惯组的速度误差。声波计程仪的测速误差经过一次积分转化为航程误差，测速误差中的一些随机量通过长时间积分可以抵消，而一些漂移量则最终体现为航程误差。根据目前多普勒计程仪的误差特性，其测速误差不大于0.5％时，可以保证组合导航精度。

采用磁罗盘系统导航时，算法匹配实施方案：引入T算(作为外部环境)。T算法的特点是其定位精度不受探测盲区影响，但理想情况下，定位精度没有S算法定位精度高。为此，用T算法做预匹配，降低初始匹配误差，以解决S算法在初始匹配误差大时容易发散的问题。

具体地说，当AUV开始进行辅助导航时，若惯性导航系统的初始匹配位置误差δX_SINS>ΨX_SINS，利用T算法进行一次大范围搜索，找到一条离真实航迹较为接近的航迹来降低惯性导航系统的位置偏差；此基础上利用S算法进行进一步匹配，这样可以得到最佳匹配位置；将这两个位置之差作为卡尔曼滤波器的观测量，得到最优估计，从而修正惯性导航系统的导航误差。其中ΨXSINS为一预设门限，需根据实际航行的技术要求、数字地图精度等综合因素人为设定。若初始匹配误差不大(S算法精度容许范围内)，则省略T方法的大范围搜索，而直接用S算法进行匹配，然后经过卡尔曼滤波器进行最优估计。然后，根据惯性导航系统的指示位置、地磁地图、预先设定的路径及测深传感器的精度来判断是否到达探测盲区。若未到达探测盲区则一直用S算法进行辅助导航来不断地校正惯性导航系统的误差；否则，AUV驶出探测盲区后，继续用惯性导航系统最后指示的位置来判断初始匹配位置误差δXSINS是否大于预设门限ΨXSINS，然后重复上述步骤。

本申请还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上的水下无线信息通信方法。

举例来说，电子设备包括输入设备、输入接口、中央处理器、存储器、输出接口以及输出设备。其中，输入接口、中央处理器、存储器以及输出接口通过总线相互连接，输入设备和输出设备分别通过输入接口和输出接口与总线连接，进而与计算设备的其他组件连接。具体地，输入设备接收来自外部的输入信息，并通过输入接口将输入信息传送到中央处理器；中央处理器基于存储器中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器中，然后通过输出接口将输出信息传送到输出设备；输出设备将输出信息输出到计算设备的外部供用户使用。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能够实现如上的水下无线信息通信方法。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但其实并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动，媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数据多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤。装置权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由一个单元或总装置通过软件或硬件来实现。第一、第二等词语用来标识名称，而不标识任何特定的顺序。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，模块、程序段、或代码的一部分包括一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地标识的方框实际上可以基本并行地执行，他们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或总流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本实施例中所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现装置/终端设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

在本实施例中，装置/终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。