基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位與試驗(yàn)驗(yàn)證

程 琦

基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位與試驗(yàn)驗(yàn)證

程 琦1,2

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

慣性導(dǎo)航由于其無源、自主等優(yōu)點(diǎn)，在水下導(dǎo)航中處于中心地位，但慣性導(dǎo)航誤差隨時(shí)間增大，很難長(zhǎng)時(shí)間提供精確的導(dǎo)航信息。針對(duì)此問題，本文提出一種基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位方法，借助水下潛航器的速度和方位信息，通過實(shí)際浮標(biāo)和3個(gè)虛擬浮標(biāo)的位置以及與水下潛航器之間的4個(gè)距離觀測(cè)量，采用長(zhǎng)基線導(dǎo)航定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水下潛航器導(dǎo)航定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相比慣性導(dǎo)航，減小了誤差，提升了定位精度，可保證水下潛航器長(zhǎng)航時(shí)實(shí)施水下作戰(zhàn)任務(wù)。

水下潛航器；單浮標(biāo)；水聲導(dǎo)航；慣性導(dǎo)航

0 引言

我國(guó)作為發(fā)展中的海洋大國(guó)，在海洋有著廣泛的戰(zhàn)略利益。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展和開放型經(jīng)濟(jì)的形成與深化，海洋作為國(guó)際貿(mào)易與合作的紐帶作用日益顯現(xiàn)，在提供資源保障和拓展發(fā)展空間方面的戰(zhàn)略地位更為突出。水下潛航器是勘探和開發(fā)利用海洋資源、調(diào)查海洋環(huán)境、完成海洋軍事任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)裝備，但是無論使用水下潛航器來滿足何種任務(wù)需求，一般都需要獲取水下潛航器的位置狀態(tài)，故獲取水下潛航器的高精度定位信息是我們需面臨的關(guān)鍵問題之一[1-2]。

目前，慣性導(dǎo)航因其自主隱蔽、不受外界干擾、短時(shí)精度高、導(dǎo)航信息完備和數(shù)據(jù)更新率高等優(yōu)點(diǎn)，在水下導(dǎo)航定位技術(shù)中處于中心地位，但慣性導(dǎo)航定位精度受限于器件性能，存在隨時(shí)間不可避免的系統(tǒng)漂移，導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間不斷累積，很難長(zhǎng)時(shí)間地提供精確的導(dǎo)航定位信息，無法保證水下潛航器進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)實(shí)施水下作戰(zhàn)任務(wù)[3-4]?；诼暡ǖ乃晫?dǎo)航在水下導(dǎo)航技術(shù)中占據(jù)了重要的地位，具有兼顧深淺海、全天候?qū)崟r(shí)性、可靠性高和誤差不隨時(shí)間累積的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的水聲導(dǎo)航定位系統(tǒng)都有多個(gè)基元（接收器或應(yīng)答器），一般用基線的長(zhǎng)度來分類，分為長(zhǎng)基線系統(tǒng)、短基線系統(tǒng)和超短基線系統(tǒng)[5]。

為保障水下潛航器能在深度水下進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)任務(wù)，需長(zhǎng)時(shí)間提供高精度導(dǎo)航定位信息，本文研究了一種基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位方法，利用單浮標(biāo)來完成水下潛航器的高精度定位。

1 基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位方法基本原理

為保障水下潛航器能在大深度水下進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)實(shí)施水下作戰(zhàn)任務(wù)，需長(zhǎng)時(shí)間提供高精度導(dǎo)航定位信息，本文研究了一種基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位方法。

對(duì)于單浮標(biāo)導(dǎo)航定位計(jì)算，需要借助水下潛航器的速度和方位等傳感器信息，才能完成定位解算。在單浮標(biāo)導(dǎo)航定位中，由于只使用1個(gè)外部聲學(xué)發(fā)射器，需要通過水下潛航器的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)借助水下潛航器的速度和方位信息，根據(jù)實(shí)際浮標(biāo)的位置以及聲信號(hào)發(fā)射時(shí)刻，推定出另外3個(gè)虛擬浮標(biāo)的位置，由實(shí)際浮標(biāo)和3個(gè)虛擬浮標(biāo)的位置以及與水下潛航器之間的4個(gè)距離觀測(cè)量，就可以采用傳統(tǒng)長(zhǎng)基線導(dǎo)航（Long Baseline，LBL）的解算方法，進(jìn)行水下潛航器位置解算，這種方法可以稱為虛擬長(zhǎng)基線導(dǎo)航（Virtual Long Baseline，VLBL）算法。虛擬長(zhǎng)基線水聲浮標(biāo)導(dǎo)航定位的完整幾何關(guān)系圖如圖1所示。

圖1中，水下潛航器在1、2、3、4時(shí)分別運(yùn)動(dòng)到1、2、3、4處，每個(gè)水聲虛擬浮標(biāo)的位置必須調(diào)整到每個(gè)附加時(shí)間步長(zhǎng)的潛航器位置。對(duì)這個(gè)調(diào)整的通用方程如式（1）所示：

式中，dt(i,i+1)為時(shí)間步長(zhǎng)i和i+1之間的時(shí)間延遲；vi為在時(shí)間步長(zhǎng)i的水下潛航器速度；AT為實(shí)際的水聲浮標(biāo)位置；VTi為對(duì)應(yīng)到Ri的虛擬水聲浮標(biāo)的位置；Ri為水下潛航器和AT在時(shí)間步長(zhǎng)i之間的距離。

設(shè)水下潛航器位置為（，，），真實(shí)浮標(biāo)與3個(gè)虛擬浮標(biāo)位置分別為（X，Y，Z）、（X，Y，Z）、（X，Y，Z）、（X，Y，Z），則定位方程如式（2）所示：

兩兩相減，消去二次項(xiàng)后化簡(jiǎn)如式（3）所示：

寫為矩陣形式，如式（4）所示：

式中，

利用最小二乘法可得到最佳解如式（5）所示：

在單浮標(biāo)水聲定位中，需要用到包括水下潛航器慣導(dǎo)信息在內(nèi)的航向和速度輔助信息，以實(shí)現(xiàn)定位解算。水下潛航器中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括平臺(tái)慣導(dǎo)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，并進(jìn)行冗余雙備份以提高可靠性。盡管慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供很精確和高可靠性的姿態(tài)信息，但位置誤差可能很大，因?yàn)樗羌铀俣攘繙y(cè)的二次積分。因此，本文借助慣導(dǎo)提供的水下潛航器信息，通過實(shí)際浮標(biāo)和3個(gè)虛擬浮標(biāo)的位置以及與水下潛航器之間的4個(gè)距離觀測(cè)量，采用長(zhǎng)基線導(dǎo)航定位技術(shù)，進(jìn)行位置解算，獲得較高精度的水下潛航器位置信息，實(shí)現(xiàn)水下潛航器導(dǎo)航定位，保障潛航器長(zhǎng)航時(shí)實(shí)施水下任務(wù)。

2 水聲/慣性組合導(dǎo)航試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)射端包括水聲測(cè)距、通信浮標(biāo)、RTK定位設(shè)備、筆記本電腦和電源，放置在發(fā)射試驗(yàn)船上。

接收端包括水聲測(cè)距、通信浮標(biāo)、慣性導(dǎo)航設(shè)備、RTK定位設(shè)備、筆記本電腦和電源，放置在接收試驗(yàn)船上。

岸上設(shè)備主要是RTK基準(zhǔn)設(shè)備。

2.2 試驗(yàn)方案

采用一對(duì)水聲測(cè)距通信浮標(biāo)以及慣性導(dǎo)航設(shè)備，在湖里采用2艘船開展不同距離上的水聲測(cè)距/慣性組合定位試驗(yàn)，評(píng)估組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能。

在外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，在發(fā)射端的船上配備高精度衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備以及水聲通信測(cè)距浮標(biāo)和筆記本電腦，在接收端的船上配備高精度RTK衛(wèi)星定位設(shè)備、水聲通信測(cè)距浮標(biāo)、慣性導(dǎo)航設(shè)備和筆記本電腦等設(shè)備。發(fā)射端通過筆記本電腦網(wǎng)口來控制水聲浮標(biāo)發(fā)射通信和測(cè)距信號(hào)，接收船得到水聲通信和測(cè)距信息后存儲(chǔ)至筆記本中。同時(shí)，利用計(jì)算機(jī)采集慣性導(dǎo)航設(shè)備的原始輸出和衛(wèi)星導(dǎo)航輸出。

采用單浮標(biāo)水聲定位算法，通過多個(gè)水聲測(cè)距值，結(jié)合慣性定位信息進(jìn)行定位解算處理，組合定位結(jié)果與衛(wèi)星RTK定位結(jié)果進(jìn)行比較。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單浮標(biāo)靜止與接收船移動(dòng)的組合導(dǎo)航試驗(yàn)

發(fā)射端作為單浮標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過筆記本網(wǎng)口控制發(fā)射通信和測(cè)距信號(hào)，移動(dòng)接收船體接收發(fā)射船的位置和距離信號(hào)。在接收端記錄不同時(shí)刻的慣導(dǎo)系統(tǒng)原始輸出、衛(wèi)星導(dǎo)航輸出以及發(fā)射端的距離、位置等信息。移動(dòng)接收船分別按照規(guī)劃的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，每次移動(dòng)距離400～800 m，至少移動(dòng)4個(gè)位置。固定發(fā)射端試驗(yàn)路徑規(guī)劃圖如圖2所示。

圖2 固定發(fā)射端試驗(yàn)路徑規(guī)劃

試驗(yàn)時(shí)，在多個(gè)接收點(diǎn)上同時(shí)采集慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、衛(wèi)導(dǎo)RTK數(shù)據(jù)以及水聲測(cè)距數(shù)據(jù)，發(fā)射船和移動(dòng)接收船的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 固定發(fā)射浮標(biāo)和接收點(diǎn)位置示意

圖4 固定發(fā)射點(diǎn)組合定位選取數(shù)據(jù)

選擇圖3中幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算，選取數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖4所示。

其中發(fā)射浮標(biāo)位置為緯度31.11828540060°，經(jīng)度114.46768954652°。位置1接收點(diǎn)衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)（緯度31.12358401784°，經(jīng)度114.46703052911°），水聲測(cè)距值=588 m；位置2接收點(diǎn)衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)（緯度31.12116053564°，經(jīng)度114.47070311995°），水聲測(cè)距值=429.5 m；位置3接收點(diǎn)衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)（緯度31.11670263719°，經(jīng)度114.47055714038°），水聲測(cè)距值=324.7 m；位置4接收點(diǎn)衛(wèi)導(dǎo)數(shù)據(jù)（緯度31.11598018880°，經(jīng)度114.47280404847°），水聲測(cè)距值=550.2 m。

試驗(yàn)時(shí)，由于慣導(dǎo)（因經(jīng)費(fèi)所限，選用較低精度慣導(dǎo)）漂移誤差較大，這里采用衛(wèi)導(dǎo)變化量來代替慣導(dǎo)位置變化量，衛(wèi)導(dǎo)變化量附加10 m左右的擾動(dòng)，計(jì)算的用戶位置為緯度31.1158°，經(jīng)度114.4726°，與位置4接收點(diǎn)衛(wèi)導(dǎo)RTK基準(zhǔn)數(shù)據(jù)（緯度31.11598018880°，經(jīng)度114.47280404847°）的誤差為27.9 m（=1.62）。

3.2 發(fā)射船和接收船同時(shí)移動(dòng)的組合導(dǎo)航試驗(yàn)

發(fā)射端作為運(yùn)動(dòng)中的單浮標(biāo)，通過筆記本網(wǎng)口控制發(fā)射通信和測(cè)距信號(hào)，移動(dòng)接收船體接收發(fā)射船的位置和距離信號(hào)。在接收端記錄不同時(shí)刻的慣導(dǎo)系統(tǒng)原始輸出、衛(wèi)星導(dǎo)航輸出以及發(fā)射端的距離、位置等信息。發(fā)射船和接收船分別按照規(guī)劃的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其中，移動(dòng)發(fā)射端從1時(shí)刻到4時(shí)刻的總移動(dòng)范圍30～50 m，移動(dòng)接收船每次移動(dòng)距離400～800 m，從1時(shí)刻到4時(shí)刻移動(dòng)4個(gè)位置。移動(dòng)發(fā)射端組合定位試驗(yàn)路徑規(guī)劃圖如圖5所示。

發(fā)射船在水面漂移，接收船移動(dòng)的位置試驗(yàn)如圖6所示。

選擇其中的4組移動(dòng)發(fā)射船和移動(dòng)接收船數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬長(zhǎng)基線定位計(jì)算，選擇數(shù)據(jù)如圖7和表1所示。

圖5 移動(dòng)發(fā)射端組合定位試驗(yàn)路徑規(guī)劃

圖6 移動(dòng)發(fā)射浮標(biāo)和移動(dòng)接收點(diǎn)位置示意

圖7 移動(dòng)發(fā)射浮標(biāo)和移動(dòng)接收點(diǎn)4組位置示意

采用以上4組數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬長(zhǎng)基線定位解算結(jié)果（緯度31.1092°，經(jīng)度114.4733°），與第4組船位置衛(wèi)星導(dǎo)航RTK基準(zhǔn)（經(jīng)度31.10913375879°，緯度114.47318746719°）相比，誤差為13.00 m（=1.26）。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得到以下結(jié)論：

（1）在單浮標(biāo)定位時(shí)，不論浮標(biāo)位置固定或者移動(dòng)，接收端采用水聲測(cè)距組合慣導(dǎo)的虛擬長(zhǎng)基線定位，均能獲得較好的定位精度。發(fā)射浮標(biāo)位置固定僅需要播發(fā)一次自身位置數(shù)據(jù)，而發(fā)射浮標(biāo)位置移動(dòng)時(shí)，則需要在播發(fā)測(cè)距信息之前先要播發(fā)自身位置數(shù)據(jù)。

（2）在單浮標(biāo)虛擬長(zhǎng)基線定位時(shí)，要選擇接收點(diǎn)位置分布具有較好幾何因子的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算，這樣最終定位結(jié)果能獲得較高精度。接收點(diǎn)幾何因子可以通過反復(fù)迭代計(jì)算來選擇較好幾何因子。

4 結(jié)語

基于單浮標(biāo)的水聲/慣性組合導(dǎo)航定位方法，利用水下潛航器自身傳感器和慣導(dǎo)提供的有一定的精度保證的航向和速度信息，可以提供潛航器短時(shí)間內(nèi)的精確的距離變化值，利用潛航器方位和距離變化值，可以推算出虛擬水聲浮標(biāo)的精確位置，然后利用VLBL單浮標(biāo)導(dǎo)航定位解算方法，可以保證單浮標(biāo)定位解算有一定的精度，從而可以校正慣導(dǎo)的位置誤差，可長(zhǎng)時(shí)間提供精確的導(dǎo)航定位信息，保證水下潛航器進(jìn)行長(zhǎng)航時(shí)實(shí)施水下作戰(zhàn)任務(wù)。

[1] 孫大軍，鄭翠娥，錢洪寶，等. 水聲定位系統(tǒng)在海洋工程中的應(yīng)用[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2012 31（2）：125-132．

[2] 田坦. 水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3] 張福斌，馬朋. 一種基于虛擬移動(dòng)長(zhǎng)基線的多AUV協(xié)同導(dǎo)航算法[J]. 魚雷技術(shù)，2013，21（2）：115-119.

[4] 張立川，徐德民，劉明雍，等. 基于移動(dòng)長(zhǎng)基線的多 AUV協(xié)同導(dǎo)航[J]. 機(jī)器人，2009，31（6）：581-585.

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Single-Buoy-Based Underwater Acoustic/Inertial Integrated Navigation Positioning and Experimental Verification

Inertial navigation is at the center of underwater navigation due to its passive and autonomous advantages. However, the error of inertial navigation increases with time, and it is difficult to provide accurate navigation information for a long time. In response to this problem, the paper proposes a single-buoy-based underwater acoustic/inertial integrated navigation and positioning method. With the help of the speed and azimuth information of the underwater submersible, the positions of the actual buoy and three virtual buoys, and the relationship with the underwater submersible, using long baseline navigation to realize the navigation and positioning of the underwater submersible. The test results show that, compared with inertial navigation, this method reduces errors and improves positioning accuracy, and it can ensure that the underwater submarine can carry out underwater combat missions during long voyages.

Underwater Submarine; Single Buoy; Underwater Acoustic Navigation; Inertial Navigation

U666.1

A

1674-7976-(2021)-03-179-05

2021-04-20。程琦（1994.01-），山西運(yùn)城人，碩士，主要研究方向?yàn)樗晫?dǎo)航。