专利名称：一种基于海流剖面的uuv辅助导航方法
技术领域：
本发明涉及的是一种UUV导航方法，尤其涉及一种基于UUV搭载的DVL声纳数据失效情况下海流剖面辅助导航方法。
背景技术：
随着水下无人航行器UUV (Unmanned Underwater Vehicle)在海洋开发中的应用越来越广泛，对UUV导航系统的精度要求也越来越高。传统航位推算法是UUV中目前最常用的导航方法之一，这种方法依赖于多普勒测速仪(DVL)采集的速度数据和姿态传感器采集的姿态数据。但是，当UUV在转弯、海水较深超过DVL底跟踪的最大范围等情况下可能发生失效，DVL —旦失效或者由于性能下降导致UUV的实时速度无法获得，只能采用DVL失效前几拍的速度信息，而UUV的速度在复杂海洋环境下是实时变化的，从而对UUV的导航产生较大的影响，推算的UUV位置信息偏差会越来越大。因此在DVL失效时，寻求一种能够有效避免因速度传感器失效或者故障导致航位推算产生较大导航误差的问题，就显得尤为迫切。目前，国内外试图寻求一种有效的在UUV测速传感器失效情况下能够辅助UUV导航的手段。如莫军在文献《基于海流数据库的水下导航信息融合方法探讨》(系统仿真学报，2002年，第14卷第10期)中提出了基于海流数据库的水下导航信息融合方法，该方法需要大量的工作海域的海流信息，工作量大，难以推广。2009年，中国海军工程大学的吴太旗等人在文献《重力场辅助水下导航仿真及分析平台的构建》(舰船科学技术，2009年，第 31卷第2期)中提出了利用重力场进行水下无人航行器辅助导航的方法，该方法需要增加重力传感器、重力基准图数据等软硬件，增加了 UUV系统的复杂性。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动力学模型进行辅助导航的方法，而UUV动力学模型涉及的参数较多，难以准确确定UUV的动力学模型，从而无法保证导航的精度。

发明内容
本发明的目的在于提供一种当UUV搭载的DVL (多普勒测速仪，Doppler Velocity Log)失效时能够利用ADCP(声学多普勒海流剖面仪，Acoustic Doppler Current Profile) 测得的海流剖面数据进行辅助自身导航的于海流剖面的UUV辅助导航方法。本发明的目的是这样实现的包括下列步骤(1)海流剖面数据和DVL速度获取利用UUV携带的控制计算机控制ADCP发射一定频率的声波，利用多普勒效应获取下部紧贴UUV水层厚度的海流剖面；利用UUV携带的控制计算机控制DVL发射一定频率的声波，利用多普勒效应获取 DVL的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman滤波
根据海流环境以及UUV自身模型的特点，建立海流剖面数据Kalman滤波数据模 型；并参照海流高频残差的数量级确定海流Kalman滤波数据模型中的观测噪声方差R，同 时根据DVL测得的UUV速度信息动态调节过程噪声方差Q值的大小；(3) “UUV速度-海流信息”关系库建立当DVL导航声纳数据有效时，利用DVL测得的UUV速度、OCTANS姿态传感器测量 得到的UUV的航向信息，ADCP测量得到的海流剖面数据，建立“UUV速度-海流信息”关系 库；(4)海流剖面辅助导航当DVL导航声纳数据失效时，利用“UUV速度-海流信息”关系库，以及ADCP声纳 实时测得的海流剖面信息，推算UUV的导航速度；再根据初始UUV的经纟韦度和船位推算算法 得到推算UUV的位置信息。所述UUV的位置信息的获取方法为推算的UUV导航速度在正东方向和正北方向的分量如下式
权利要求
1.一种基于海流剖面的UUV辅助导航方法，其特征是包括下列步骤(1)海流剖面数据和DVL速度获取利用UUV携带的控制计算机控制ADCP发射一定频率的声波，利用多普勒效应获取下部紧贴UUV水层厚度的海流剖面；利用UUV携带的控制计算机控制DVL发射一定频率的声波，利用多普勒效应获取DVL 的速度，即UUV的航行速度；(2)海流剖面的Kalman滤波根据海流环境以及UUV自身模型的特点，建立海流剖面数据Kalman滤波数据模型；并参照海流高频残差的数量级确定海流Kalman滤波数据模型中的观测噪声方差R，同时根据 DVL测得的UUV速度信息动态调节过程噪声方差Q值的大小；(3)“UUV速度-海流信息”关系库建立当DVL导航声纳数据有效时，利用DVL测得的UUV速度、OCTANS姿态传感器测量得到的UUV的航向信息，ADCP测量得到的海流剖面数据，建立“UUV速度-海流信息”关系库；(4)海流剖面辅助导航当DVL导航声纳数据失效时，利用“UUV速度-海流信息”关系库，以及ADCP声纳实时测得的海流剖面信息，推算UUV的导航速度；再根据初始UUV的经纬度和船位推算算法得到推算UUV的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于海流剖面的UUV辅助导航方法，其特征是所述UUV 的位置信息的获取方法为推算的UUV导航速度在正东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——分别为载体航行速度在正东方向和正北方向的分量； VF> Vl——分别为DVL测得的载体相对大地的前向速度和左向速度； H——UUV载体的航向角，顺时针为正，逆时针为负，由罗经测得； UUV位置由下面的公式计算得到ηJ = J0+T^vEX1-VAt 1rMX1-DZ=I<ηW = W0+YjVn ^At/Rncj^ 、 i=l式中At—DVL采样周期；J、W——分别为η时刻UUV载体所在位置的经度和纬度；Jo>W0——分别为初始时刻载体的经度和纬度，由GPS接收机测得；νΕ, α-^ν,^——分别为i-Ι时刻UUV航行速度在正东方向和正北方向的分量；R , U-D^Rn, (i-D—分别为i-1时刻地球子午曲率半径和纬度圈曲率半径。
全文摘要
本发明提供的是一种基于海流剖面的UUV辅助导航方法。首先建立海流剖面数据Kalman滤波模型，然后根据环境的变化以及UUV自身速度的变化，确定Kalman方程中的观测噪声方差R和过程噪声方差Q，最后建立“UUV速度-海流剖面”关系数据库，利用该关系库以及ADCP测得的海流剖面信息，推算DVL失效时的UUV速度，进而通过船位推算方法得到UUV的导航位置。本发明的有益效果在于UUV在水下执行任务时，一旦DVL声纳数据失效，可以使用ADCP海流剖面信息推算UUV速度，使得UUV在大深度等复杂海洋环境下可以继续执行海洋勘探任务，提高UUV的环境适应能力。
文档编号G01S15/58GK102323586SQ20111019674
公开日2012年1月18日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者周佳加, 张伟, 张勋, 张宏瀚, 徐健, 李举峰, 边信黔, 陈涛 申请人:哈尔滨工程大学