[发明专利]深海作业水下航行器组合导航系统及水下初始对准方法

权利要求书

1.一种深海作业水下航行器组合导航系统，其特征在于包括卫星星座(1)、差分卫星基准站(2)、卫星浮标系统(3)、水下导航收发机(4)和船基数据控制中心(5)其中卫星星座(1)与差分卫星基准站(2)无线通信，差分卫星基准站(2)和卫星浮标系统(3)分别通过海面无线电通信链路(6)与船基数据控制中心(5)连接，水下导航收发机(4)通过水下声通信链路(7)与卫星浮标系统(3)连接，水下导航收发机(4)和船基数据控制中心(5)通过水下声通信链路(7)双向连接。

2.一种深海作业水下航行器组合导航系统水下初始对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)船基数据控制中心(5)向水下航行器的水下导航收发机(4)发送一个请求定位的声纳脉冲信号；

(2)水下导航收发机(4)向卫星浮标系统(3)发射水声定位信号；

(3)卫星浮标系统(3)接收到水声定位信号后，将水声定位信号数据及接收到的卫星信号数据进行编码和调制得到无线电信号，利用海面无线电通信链路(6)将无线电信号传送到船基数据控制中心(5)；

(4)船基数据控制中心(5)将各卫星浮标系统(3)的无线电信号进行计算得到水下航行器的位置；

(5)船基数据控制中心(5)将计算出的水下航行器的位置和水声定位信号发射时刻进行编码和调制得到调制信号，利用水声发射器将调制信号发射到水下导航收发机(4)；水下导航收发机(4)根据调制信号计算出导航参数和当前时刻。

3.根据权利要求2所述的深海作业水下航行器组合导航系统水下初始对准方法，其特征在于步骤(5)所述的水下导航收发机(4)根据调制信号计算出导航参数和当前时刻的方法包含如下步骤：

(a)水下导航收发机(4)定位数据采集：采用组合导航计算机以周期TG持续读取水下导航收发机(4)接收到的导航信息即调制信号，并进行解读，取得航行器的实时三维位置、三维速度和航向角ψ和时间t，其中，三维位置包括经度λ、维度L和高度H，三维速度包括当地地理坐标系下的东向速度V_E、北向速度V_N和天向速度V_U；

(b)卫星导航定位数据缓存：把步骤(a)中所述的航行器的三维位置、三维速度、航向角与时间信息一并保持在导航计算机的内存空间变量中，缓存后得到经度λ_k-1、纬度L_k-1、H_k-1高度，东向速度V_E，k-1、北向速度V_N，k-1和天向速度V_U，k-1，航向角ψ_k-1，时间信息t_k-1；

(c)惯性测量单元数据采集：以周期T_I读取惯性测量单元中陀螺和加速度计测量的三维角速率和三维比力，捷联式惯性测量单元测得的信息均为航行器教运动和线运动在载体坐标系b下的投影，三维角速率和三维比力分别为和其中T_G为T_I的整数倍，x，y，z表示载体系的三个坐标轴；

(d)航行器运动加速度的计算：经过至少2个周期T_G的时间后，在完成卫星信息解读时刻t_k，组合导航计算机中有经度λ_k、纬度L_k，高度H_k，东向速度V_E，k，北向速度V_N，k，天向速度V_U，k，航向角ψ_k，按如下的前后差分法计算航行器的东向、北向和天向运动加速度：

aE=VE,k-VE,k-1TG,]]>

aN=VN,k-VN,k-1TG,]]>

aU=VU,k-VU,k-1TG;]]>

(e)将步骤(a)、步骤(c)和步骤(d)得到的实时位置、速度、运动加速度，代入捷联惯性导航系统比力方程，计算导航系下的三维比力，其计算方法如下：

fEfNfU=aEaNaU+0-(2ωieUn+ωenUn)(2ωieNn+ωenNn)(2ωieUn+ωenUn)0-(2ωieEn+ωenEn)-(2ωieNn+ωenNn)(2ωieEn+ωenEn)0VE,kVN,kVU,k-00g0,]]>

式中，导航坐标系下地球自转角速度在导航坐标系的投影可以由地球自转角速度及当地纬度计算得到：

ωien=ωieEnωieNnωieUn=0ωiecosLωiesinL,]]>

导航坐标系相对于地球转动角速度可由航行器的航行速度和当地纬度、地球半径计算得到：

ωenn=ωenEnωenNnωenUn=-VN,kRVE,kRVE,kRtgL,]]>

导航坐标系下计算得到的三维比力[f_E f_N f_U]^T和步骤(c)得到的载体坐标系下的比力之间有如下变换关系：

fxbfybfzbT=CnbfEfNfUT,]]>

Cnb=cosγcosψ+sinγsinθsinψ-cosγsinψ+sinγsinθcosψ-sinγcosθcosθsinψcosθcosψsinθsinγcosψ-cosγsinθsinψ-sinγsinψ-cosγsinθcosψcosγcosθ,]]>

ψ，θ，γ分别为航向角、纵摇角和横摇角；

(f)将步骤(e)中求得的横摇角和纵摇角，与已获得的经度、纬度、高度、东向速度、北向速度、天向速度、航向角组成初始状态，初始化捷联惯性导航系统的导航参数，实现对载体动态航行中的捷联惯性导航系统动基座初始对准。