[发明专利]水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置

说明书

本发明公开了一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置，方法包括：采用倒置长基线原理和多个水面测点GPS定位信息进行水下多阵元基站的定位；通过半相干编码解码与倒置短基线定位的相结合，解算多个用户目标与多阵元基站的相对空间位置，实现了多个目标实时的自我定位与导航服务。装置包括：单个收发换能器、水下自主编码应答的四阵元阵列基站以及数据处理器，数据处理器。本发明在工作环境中适应能力强、定位精度高、数据更新快、且装置轻巧布放简单、易于在实际工程应用中推广，实现多用户的实时自定位与导航服务。

技术领域

本发明涉及水下目标实时定位与导航、机器人协同控制和大地控制等领域，尤其涉及一种用于水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线(i-L/USBL)方法及装置。

背景技术

由于人类对海洋资源开发、海洋环境保护和海洋权益维护的重视，而水面舰船、水下潜器和海底基站是海洋认知和海洋开发的有效工具，在海洋资源勘探、海洋测绘、军事侦察等应用中发挥着重要作用。这就对水面和水下载体的定位要求也越来越高，不同于陆地载体采用无线电或卫星的定位方式，对于水下载体如潜艇或无人航行器的定位与导航，由于水下电磁波衰减快，在近距离就基本完全衰减，而声波在水下有较小的传播损失能够远距离传输，所以水下主要采用声学这一媒质进行定位与导航。

水声定位与导航系统可用于水下目标的跟踪、定位、海上石油勘探、海底线缆和管道铺设等工程领域中，此外，它还可以作为深海试验平台以及船舶动力控位系统的位置传感器，以给控位系统提供精确的船位信息。所以，水声定位系统可进行局部区域下精确定位与导航，在民用和军用领域受到了各国的重视。水声定位系统主要有长基线(LBL)系统、短基线系统(SBL)和超短基线(USBL)系统以及组合系统。这些定位系统都是由多个声学换能器阵元(接收器或应答器)组成，阵元间的连线称为基线。其中，长基线定位系统的基线长度为100-6000m，短基线系统基线长度为1-5m，基线长度小于1m的则属于超短基线定位系统。各种定位系统均有其优缺点，如长基线定位系统因为基线长，因而定位精度高，但是校准和布放难度大，数据更新率低，无法实时进行定位；此外，它仅在固定服务区域提供定位服务，因此不适合计算水下机器人之间的相对位置。短基线定位系统的基线长度小于长基线，一般安装于船体底部，所以不可避免舰船自身噪声对其定位精度的干扰，从而使跟踪定位精度恶化；超短基线定位系统定位精度一般比前两者的精度要低，但由于超短基线小巧方便，可以有选择地布放在安静环境如海底，避免环境噪声对其定位精度的影响，加上优化定位方案，能够大幅度提高其定位的准确度，所以定位精度往往可得到长基线的定位精度，但也只允许有限数量的用户。为了最大限度地发挥各自系统的定位性能，往往采用组合的定位系统，如长/超短基线系统(L/USBL)、长/短基线系统(L/SBL)、短/超短基线系统(S/USBL)等。

水下布放的智能潜器和移动平台，因为无缆且高度灵活，非常适合水下作业，也是人类海洋认知和海洋开发的有效工具，在军事侦察、海洋测绘、海洋资源勘探等应用中发挥着重要作用。特别是水下无人航行器的广泛应用，它们能够对目标进行长期监测、快速搜索以及有效防御，且能够通过局部组网形成协同工作模式，进一步提高了水下工作效率，而精确的多水下定位是整个航行器协作系统正常运行的先决条件。这就要求定位系统必须能够为多个用户提供实时自主解算的定位与导航服务，从而实现自主航行、决策和规划路线。然而，传统的水下定位系统大都是以局部、定点、低数据更新率和人为操作的定位方式为主，难以为水下智能移动潜器平台提供实时的、能够自我解算和感知的定位和导航服务，这严重阻碍了水下智能潜器特别是水下无人机器人群在水下资源开发、水下防务和海洋环境观测等方面的广泛应用，急需探索一种新的、更加智能化的水下定位与导航系统，以促进水下智能潜器和水下无人机器人协同工作的发展。

发明内容

本发明提供了一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法及装置，本发明在工作环境中适应能力强、定位精度高、数据更新快、且装置轻巧布放简单、易于在实际工程应用中推广，实现多用户的实时自定位与导航服务，详见下文描述：

第一方面，一种水下目标自定位与导航的倒置长/超短基线方法，所述方法包括：