[发明专利]一种水下航行器导航系统及导航方法

说明书

本发明公开了一种水下航行器导航系统及导航方法，导航系统包括海洋物联网感知体系、海洋模拟器、航线控制器和水下滑翔机，所述海洋物联网感知体系将海洋数据传输至海洋模拟器，海洋模拟器模拟海洋状态，并传输至航线控制器；航线控制器规划滑翔机航行路线并传输至水下滑翔机，并且输出水下滑翔机姿态调整程序至水下滑翔机。姿态调整时考虑洋流影响，根据具体海域的海况动态调整，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低海流对滑翔机航线的影响。

技术领域

本发明属于水下航行器导航技术领域，具体涉及一种水下航行器导航系统及导航方法。

背景技术

为了开发海洋资源，寻找能源、矿产以及生物资源等，人类利用自治水下航行器进行海洋勘探。它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人系统。水下滑翔机采用内置的姿态调整机构和无外挂的驱动装置，减少了载体的外置装置，避免了对载体线型的破坏，大大改善了系统的水动力特性。水下滑翔机作为一种新型的自治水下航行器(AUV)，具有成本低、航程远、下潜深、航行时间长、具有自主导航能力等特性，其设计目标是成为在大深度、大范围内运动的水下观测平台，通过挂载不同类型的传感器，成为海底观测平台中不可或缺的一部分。

水下滑翔机航行的目的是对海洋环境进行采样，这就涉及两个问题：

1.水下滑翔机的路径规划，使得水下滑翔机采集到的数据是实验人员所需区域的有效数据。

2.水下滑翔机的航行状态，使得航行的能耗最低。

对于问题1，目前滑翔机的航行路径解决方案一般采用固定路径的方法。即在投放滑翔机时已将航行路径输入到滑翔机控制系统，在海试过程中，滑翔机将根据存储在本机中的航行路径进行导航。

对于问题2，目前滑翔机技术的解决方案是在航行时，采用电子罗盘、姿态和航向参考系统提供滑翔机在水下的姿态信息，通过姿态调整算法对自身的航位进行推算。

为解决上述两个技术问题，目前水下滑翔机的航行导航方案主要为：用户设定航行起止点。AUV确定的航行任务后，通过GPS获得起始经纬度，根据给定目标点的经纬度，结合罗盘测得的偏航角，明确起始航向。滑翔机先做螺旋运动调整航向，然后在垂直纵剖面做锯齿形运动。每次下潜上浮后在水面通过GPS纠正航向，以逐渐纠偏的方式逼近目标点。

但是，现有技术主要有以下不足：

1.水下滑翔机只能在上浮获得GPS信息后，再规划下一次下潜的导航策略。由于水下滑翔机每次下潜时间较长，在下潜过程中，如果水下滑翔机航行偏离预定航线，不能得到及时纠正。

2.在实际海况中，海流的流向和流速经常发生变化，洋流对于滑翔机的航行路线和水下姿态都有比较大的影响，而现有技术在航行设计时，并不能将航线上的海流影响纳入航线的设计因素中。如果在航线设计时不考虑水下滑翔机附近海域的海况情况，可能会加大滑翔机航行时的功耗。

3.海洋的物理信息可通过浮标、潜标等观测网络获取，水下滑翔机的航线如果不考虑已获得的海况信息，很可能出现重复获取数据的情况。

因此，需要设计一种新型的AUV导航系统，一方面能综合考虑已获取的海洋物理信息，规划航线，避免重复获取数据；一方面能达到节省功耗的效果，还能有效降低海流对AUV航线的影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于大数据分析和海洋模式模拟的智能水下航行器导航系统及导航方法，AUV每次上浮可通过导航系统获得新的航行路线规划，以及下一次下潜时需要完成的控制程序，根据预定动作调整AUV在水中的航行姿态。AUV得到的导航信息，在执行下一次下潜任务时，根据导航信息执行相应的航行动作和航行路线，不仅可以达到节省功耗的效果，而且可以有效降低海流对AUV航线的影响。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：