[发明专利]一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统

说明书

本发明公开一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统，该方法包括：确定潜艇的起始点锚固位置；根据所述起始点锚固位置，确定潜艇的航迹坐标、航迹深度及绝对重力值；使用所述航迹深度校正所述绝对重力值，获得航迹重力异常值；根据所述航迹坐标和设备误差幅度在重力基准图上确定搜索区域；所述设备误差幅度由惯导设备决定；将所述航迹重力异常值和所述搜索区域进行分析，得到匹配路径；以所述匹配路径为准，将所述惯导系统的所述航迹坐标对应的当前位置挪移到所述匹配路径处。采用本发明方法或系统可以使用户实现实时、快速、精确的导航定位。

技术领域

本发明涉及海洋重力匹配导航领域，特别是涉及一种长基线水下潜艇匹配导航方法及系统。

背景技术

水下载体由于隐蔽性的需求必须长时间在水下航行，自身的定位及其安全性尤其突出。利用地球自有物理特征来辅助惯性导航的无源导航理论和方法是现阶段国内外研究机构和学者关注的一个热点。

在海底航行时，其深部导航十分困难。无法查看星像、太阳等天文坐标，也无法收到卫星导航系统的无线电信号。为了在海洋深处进行导航，一般使用航位推测法，测量出行进路线和速度并使用这些参数计算出潜器位置。导航工具是陀螺仪和加速度计，用陀螺仪判定航行方位，用加速度计测量运动变化所产生的力，从而计算出行驶的距离。但存在一个问题，如果潜艇人员不知道他们的初始位置，这些数据就都是无效的。并且无论如何精确的计算，经过一段时间后积累的误差就会增大。为了进行位置校准，潜水艇必需浮出水面，根据卫星导航系统重新确定他们的位置，代价是会丧失潜艇的隐蔽性，降低潜艇的生存作战能力。

因此基于地球重力场的无源水下导航技术应运而生。海洋重力匹配导航是利用海洋重力场的空间分布特征提高惯性导航精度，修正或限定惯性导航系统(INS)误差积累的无源自主导航方法。它直接确定相对于基准参考坐标系的位置和速度，可在水下实现INS综合校正，无需浮出水面或使用外部坐标，不需要来自地球的导航和通信信号，也不需要制作人工导航信标，隐蔽性强。当前，为了维护国家统一和主权领土完整，保障国家海洋权益和战略通道以及全球海上贸易交通运输安全，我海军急需冲出第一、第二岛链并完成向蓝水海军的转变，海洋重力匹配导航技术是实现上述转变的重要技术支撑。另外，海洋重力匹配导航有望解决无人潜艇对水下精确无源自主导航的迫切需求，从而实现海军作战方式的重大变革。

在现有的海洋重力匹配导航算法中，有代表性的方法主要为地形轮廓匹配算法(TERCOM)、桑迪亚惯性—地形辅助导航算法(SITAN)、基于等值线的最近点迭代算法(ICCP)等。这些方法各有优劣，适用于各种对导航精度要求不同的场合。

地形轮廓匹配算法(TERCOM)：是一种利用重力场轮廓特征实现精确定位的导航技术，其基本原理为：当水下潜器经过匹配区时，潜器上的重力仪对潜器下方的重力场剖面进行采样，并在基准图中搜索出有最佳拟合的重力场特征，该重力场特征在基准图中所处的位置即为潜器的精确位置，从而修正潜器的航行路线。优点：对初始位置误差要求较小，不必对搜索区域内的重力作线性或高斯分布假设。缺点：搜索范围比较大、实时性较差、基线短、对航向误差较敏感。

桑迪亚惯性—地形辅助导航算法(SITAN)：是美国桑迪亚实验室在20世纪70年代开发的地形辅助导航技术，也可用于重力匹配导航。它通过扩展卡尔曼滤波器来处理测量的重力场幅值与预期的基准图幅值之差，以连续估计惯导系统的位置和速度误差。优点：对系统的修正是实时的，精度相较于TERCOM高，容许有较大速度和航向误差。缺点：需要较精确的初始位置、基线短、要对重力作线性化估计。

最近点迭代算法(ICCP)：源于图象配准中基于等值线的迭代最近点算法。该算法将重力仪测量得到的数据与相对应的先验重力异常数据库中的等值线进行匹配，找出测量航迹同已有地图之间的最优匹配变换，再将经过变换的航迹作为匹配航迹，以便对测量航迹进行校正。优点：有较强的克服航向误差的能力，不必对重力数据做预处理，可以进行全自由度估计。缺点：搜索范围比较大、实时性较差，对观测数据长度有要求，对航向误差比较敏感。