CN112393729A - 一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法。该***包括：水面移动声学基准点和水下导航定位解算端，所述水面移动声学基准点通过GNSS获取自身的位置和时间信息，并以水声通信的方式向水下广播至所述水下导航定位解算端；所述水下导航定位解算端接收位置和时间信息后进行通信解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，水下导航定位解算端由此获得自身的导航定位信息。本发明能够降低大范围导航定位所需的水面声学基准点数量。

Description

一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法
技术领域
本发明涉及深海导航定位领域，特别是涉及一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法。
背景技术
水下导航与定位是深海运载器进入深海、探测深海、开发深海的关键技术。然而，由于海水对电磁波的强烈衰减，使得全球导航卫星***(GNSS)无法直接应用于水下，给水下导航定位带来了独特的挑战。因此，必须选择其他的方式进行水下导航定位。采用单一的导航方式，其导航精度和可靠性很难满足深海运载器的发展需求，因此结合了各导航方式优点的惯性基组合导航定位成为了新的发展趋势。其外部辅助信息源主要包括多普勒计程仪、声学定位、地球物理导航等。在理论上地球物理导航可以实现全球范围的水下导航，但需要预先获取背景场数据，给实际应用带来了极大的困难。在声学基阵的作用范围内，长基线和超短基线可以实现可靠的水下定位，但使用成本高且导航范围受限，不便于快速机动部署，难以满足深海运载器独立执行作业任务的要求。到目前为止，在水下环境中还没有一种水下导航定位方式能与GNSS相媲美，水下导航定位问题已经成为深海运载器所面临的重要挑战之一。
近年来，随着深海高新技术的不断进步，一方面深海运载器正在向大(重)型化方向发展，其特点是载荷大、作业能力强，为满足定点作业、海底地形地貌测绘等精细化任务的需求，要求导航定位是实时、高更新率和高精度的；另一方面深海运载器也在向小(轻)型化方向发展，其主要特点是低成本、长航时、集群化，为满足海洋观测对多台套深海运载器立体组网、协同观测的需求，要求导航定位是低成本、长航时和有限精度的。也就是说，各种类型的深海运载器不仅数量正在快速增长，而且对导航定位提出了不同的更高要求。然而，无论是惯导/航位推算+多普勒计程仪，还是惯导/航位推算+声学定位(长基线/超短基线)，亦或是惯导/航位推算+地球物理导航，均受到这样或那样因素的制约，已经越来越难以满足实际应用需求，人们迫切需要一种可以与GNSS相媲美的水下导航定位方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法，能够降低大范围导航定位所需的水面声学基准点数量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***，包括：水面移动声学基准点和水下导航定位解算端，所述水面移动声学基准点通过GNSS获取自身的位置和时间信息，并以水声通信的方式向水下广播至所述水下导航定位解算端；所述水下导航定位解算端接收位置和时间信息后进行通信解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，所述水下导航定位解算端根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间进行导航定位解算获得自身的导航定位信息。
可选地，所述水面移动声学基准点包括相互连接的波浪滑翔器和第一水声通信机，所述波浪滑翔器用于将自身的位置和时间信息发送至所述第一水声通信机，所述第一水声通信机用于将位置和时间信息以1秒1次的水声通信方式向水下广播。
可选地，所述水下导航定位解算端安装在深海运载器上，所述水下导航定位解算端包括惯导单元、第二水声通信机和声学换能器，所述第二水声通信机分别与所述惯导单元和所述声学换能器连接，所述声学换能器用于将所述第一水声通信机发送的位置和时间信息发送至所述第二水声通信机，进行通信解码后，获取水面移动声学基准点的位置和时间信息，并辅助所述惯导单元进行导航定位解算。
可选地，当所述深海运载器为大型深海运载器时，所述声学换能器采用声学换能器阵，当所述深海运载器为小型深海运载器时，所述声学换能器采用单个声学换能器。
一种深海水面移动声学基准层联合导航定位方法，包括：
通过GNSS获取水面移动声学基准点的位置和时间信息；
将所述水面移动声学基准点的位置和时间信息以水声通信的方式向水下广播；
水下导航定位解算端接收所述广播后的水面移动声学基准点的位置和时间信息，并进行解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间；
根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，水下导航定位解算端进行导航定位。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
(1)将距离交汇的几何定位方式转变为水下换能器阵声学定位(单向测距+测向)辅助高精度惯导的导航定位方式(大型深海运载器)，或水下单换能器单向测距(纯距离、欠约束)辅助低精度惯性传感器的导航定位方式(小型深海运载器)，从而将单次导航定位需要3个或3个以上水面声学浮标/海底声学信标减少为只需要1个声学基准点；(2)将水面声学浮标或海底声学信标转换为可移动、航迹可控的水面移动声学基准点(层)，从而降低大范围导航定位所需的水面声学基准点数量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为深海水面移动声学基准层联合导航定位***组成结构图；
图2为深海水面移动声学基准层联合导航定位***示意图；
图3为深海水面移动声学基准层联合导航定位方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***及方法，能够降低大范围导航定位所需的水面声学基准点数量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***包括：水面移动声学基准点和水下导航定位解算端，所述水面移动声学基准点通过GNSS获取自身的位置和时间信息，并以水声通信的方式向水下广播至所述水下导航定位解算端；所述水下导航定位解算端接收位置和时间信息后进行通信解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，所述水下导航定位解算端根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间进行导航定位解算获得自身的导航定位信息。
所述水面移动声学基准点包括相互连接的波浪滑翔器和第一水声通信机，所述波浪滑翔器用于将自身的位置和时间信息发送至所述第一水声通信机，所述第一水声通信机用于将位置和时间信息以1秒1次的水声通信方式向水下广播。
所述水下导航定位解算端安装在深海运载器上，包括惯导单元、第二水声通信机和声学换能器，所述第二水声通信机分别与所述惯导单元和所述声学换能器连接，所述声学换能器用于将所述第一水声通信机发送的位置和时间信息发送至所述第二水声通信机，进行通信解码后，获取水面移动声学基准点的位置和时间信息，并辅助所述惯导单元进行导航定位解算。
当所述深海运载器为大型深海运载器时，所述声学换能器采用声学换能器阵，可构建惯性基组合导航模型，实现实时/高更新率/高精度导航定位。当所述深海运载器为小型深海运载器时，所述声学换能器采用单个声学换能器，可构建纯距离-低精度惯性传感器的欠约束组合导航模型，实现低成本/长航时/有限精度导航定位。
在深海网络化移动导航定位***中，每台深海运载器只需要接收到一个水面移动声学基准点广播的声信号即可完成导航定位解算。每个水面移动声学基准点广播的声信号可以覆盖一定区域，该区域内的各类深海运载器(数量不限)可以通过接收声信号实现导航定位。多个水面移动声学基准点按照一定的拓扑结构，相互连接，构成水面移动声学基准层，同时覆盖更大的区域。水面移动声学基准层可以按照一定的路径移动，实现更大区域的动态覆盖，用于大范围无限区域的导航定位。水面移动声学基准层的声学基准点数量、拓扑结构和移动路径，取决于深海运载器数量、任务、作业海域等。
图3为深海水面移动声学基准层联合导航定位方法流程图，如图3所示，一种深海水面移动声学基准层联合导航定位方法包括：
步骤101：通过GNSS获取水面移动声学基准点的位置和时间信息；
步骤102：将所述水面移动声学基准点的位置和时间信息以水声通信的方式向水下广播；
步骤103：水下导航定位解算端接收所述广播后的水面移动声学基准点的位置和时间信息，并进行解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间；
步骤104：根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，水下导航定位解算端进行导航定位。
深海网络化移动导航定位***将导航和定位融为一体，采用可移动声学基准点，可以大大减少所需声学基准点数量，具有天然的可扩展性，利用测距+测向信息或纯测距信息抑制惯性导航***误差，满足不同类型深海运载器的导航定位需求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种深海水面移动声学基准层联合导航定位***，其特征在于，包括：水面移动声学基准点和水下导航定位解算端，所述水面移动声学基准点通过GNSS获取自身的位置和时间信息，并以水声通信的方式向水下广播至所述水下导航定位解算端；所述水下导航定位解算端接收位置和时间信息后进行通信解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，所述水下导航定位解算端根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间进行导航定位解算获得自身的导航定位信息。
2.根据权利要求1所述的深海水面移动声学基准层联合导航定位***，其特征在于，所述水面移动声学基准点包括相互连接的波浪滑翔器和第一水声通信机，所述波浪滑翔器用于将自身的位置和时间信息发送至所述第一水声通信机，所述第一水声通信机用于将位置和时间信息以1秒1次的水声通信方式向水下广播。
3.根据权利要求2所述的深海水面移动声学基准层联合导航定位***，其特征在于，所述水下导航定位解算端安装在深海运载器上，所述水下导航定位解算端包括惯导单元、第二水声通信机和声学换能器，所述第二水声通信机分别与所述惯导单元和所述声学换能器连接，所述声学换能器用于将所述第一水声通信机发送的位置和时间信息发送至所述第二水声通信机，进行通信解码后，获取水面移动声学基准点的位置和时间信息，并辅助所述惯导单元进行导航定位解算。
4.根据权利要求3所述的深海水面移动声学基准层联合导航定位***，其特征在于，当所述深海运载器为大型深海运载器时，所述声学换能器采用声学换能器阵，当所述深海运载器为小型深海运载器时，所述声学换能器采用单个声学换能器。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的深海水面移动声学基准层联合导航定位方法，其特征在于，包括：
通过GNSS获取水面移动声学基准点的位置和时间信息；
将所述水面移动声学基准点的位置和时间信息以水声通信的方式向水下广播；
水下导航定位解算端接收所述广播后的水面移动声学基准点的位置和时间信息，并进行解码，得到水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间；
根据所述水面移动声学基准点发射时刻的位置和时间，水下导航定位解算端进行导航定位。
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