基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位與試驗驗證

程 琦

基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位與試驗驗證

程 琦1,2

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安 710068）

慣性導航由于其無源、自主等優點，在水下導航中處于中心地位，但慣性導航誤差隨時間增大，很難長時間提供精確的導航信息。針對此問題，本文提出一種基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位方法，借助水下潛航器的速度和方位信息，通過實際浮標和3個虛擬浮標的位置以及與水下潛航器之間的4個距離觀測量，采用長基線導航定位技術，實現水下潛航器導航定位。試驗結果表明，該方法相比慣性導航，減小了誤差，提升了定位精度，可保證水下潛航器長航時實施水下作戰任務。

水下潛航器；單浮標；水聲導航；慣性導航

0 引言

我國作為發展中的海洋大國，在海洋有著廣泛的戰略利益。隨著我國經濟全球化的發展和開放型經濟的形成與深化，海洋作為國際貿易與合作的紐帶作用日益顯現，在提供資源保障和拓展發展空間方面的戰略地位更為突出。水下潛航器是勘探和開發利用海洋資源、調查海洋環境、完成海洋軍事任務的關鍵技術裝備，但是無論使用水下潛航器來滿足何種任務需求，一般都需要獲取水下潛航器的位置狀態，故獲取水下潛航器的高精度定位信息是我們需面臨的關鍵問題之一[1-2]。

目前，慣性導航因其自主隱蔽、不受外界干擾、短時精度高、導航信息完備和數據更新率高等優點，在水下導航定位技術中處于中心地位，但慣性導航定位精度受限于器件性能，存在隨時間不可避免的系統漂移，導航定位誤差隨時間不斷累積，很難長時間地提供精確的導航定位信息，無法保證水下潛航器進行長航時實施水下作戰任務[3-4]。基于聲波的水聲導航在水下導航技術中占據了重要的地位，具有兼顧深淺海、全天候實時性、可靠性高和誤差不隨時間累積的優點。傳統的水聲導航定位系統都有多個基元（接收器或應答器），一般用基線的長度來分類，分為長基線系統、短基線系統和超短基線系統[5]。

為保障水下潛航器能在深度水下進行長航時任務，需長時間提供高精度導航定位信息，本文研究了一種基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位方法，利用單浮標來完成水下潛航器的高精度定位。

1 基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位方法基本原理

為保障水下潛航器能在大深度水下進行長航時實施水下作戰任務，需長時間提供高精度導航定位信息，本文研究了一種基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位方法。

對于單浮標導航定位計算，需要借助水下潛航器的速度和方位等傳感器信息，才能完成定位解算。在單浮標導航定位中，由于只使用1個外部聲學發射器，需要通過水下潛航器的運動，同時借助水下潛航器的速度和方位信息，根據實際浮標的位置以及聲信號發射時刻，推定出另外3個虛擬浮標的位置，由實際浮標和3個虛擬浮標的位置以及與水下潛航器之間的4個距離觀測量，就可以采用傳統長基線導航（Long Baseline，LBL）的解算方法，進行水下潛航器位置解算，這種方法可以稱為虛擬長基線導航（Virtual Long Baseline，VLBL）算法。虛擬長基線水聲浮標導航定位的完整幾何關系圖如圖1所示。

圖1中，水下潛航器在1、2、3、4時分別運動到1、2、3、4處，每個水聲虛擬浮標的位置必須調整到每個附加時間步長的潛航器位置。對這個調整的通用方程如式（1）所示：

式中，dt(i,i+1)為時間步長i和i+1之間的時間延遲；vi為在時間步長i的水下潛航器速度；AT為實際的水聲浮標位置；VTi為對應到Ri的虛擬水聲浮標的位置；Ri為水下潛航器和AT在時間步長i之間的距離。

設水下潛航器位置為（，，），真實浮標與3個虛擬浮標位置分別為（X，Y，Z）、（X，Y，Z）、（X，Y，Z）、（X，Y，Z），則定位方程如式（2）所示：

兩兩相減，消去二次項后化簡如式（3）所示：

寫為矩陣形式，如式（4）所示：

式中，

利用最小二乘法可得到最佳解如式（5）所示：

在單浮標水聲定位中，需要用到包括水下潛航器慣導信息在內的航向和速度輔助信息，以實現定位解算。水下潛航器中的慣性導航系統包括平臺慣導和捷聯慣導系統，并進行冗余雙備份以提高可靠性。盡管慣性導航系統可以提供很精確和高可靠性的姿態信息，但位置誤差可能很大，因為它是加速度量測的二次積分。因此，本文借助慣導提供的水下潛航器信息，通過實際浮標和3個虛擬浮標的位置以及與水下潛航器之間的4個距離觀測量，采用長基線導航定位技術，進行位置解算，獲得較高精度的水下潛航器位置信息，實現水下潛航器導航定位，保障潛航器長航時實施水下任務。

2 水聲/慣性組合導航試驗驗證

2.1 試驗設備

發射端包括水聲測距、通信浮標、RTK定位設備、筆記本電腦和電源，放置在發射試驗船上。

接收端包括水聲測距、通信浮標、慣性導航設備、RTK定位設備、筆記本電腦和電源，放置在接收試驗船上。

岸上設備主要是RTK基準設備。

2.2 試驗方案

采用一對水聲測距通信浮標以及慣性導航設備，在湖里采用2艘船開展不同距離上的水聲測距/慣性組合定位試驗，評估組合導航系統性能。

在外場試驗時，在發射端的船上配備高精度衛星導航設備以及水聲通信測距浮標和筆記本電腦，在接收端的船上配備高精度RTK衛星定位設備、水聲通信測距浮標、慣性導航設備和筆記本電腦等設備。發射端通過筆記本電腦網口來控制水聲浮標發射通信和測距信號，接收船得到水聲通信和測距信息后存儲至筆記本中。同時，利用計算機采集慣性導航設備的原始輸出和衛星導航輸出。

采用單浮標水聲定位算法，通過多個水聲測距值，結合慣性定位信息進行定位解算處理，組合定位結果與衛星RTK定位結果進行比較。

3 試驗結果分析

3.1 單浮標靜止與接收船移動的組合導航試驗

發射端作為單浮標處于靜止狀態，通過筆記本網口控制發射通信和測距信號，移動接收船體接收發射船的位置和距離信號。在接收端記錄不同時刻的慣導系統原始輸出、衛星導航輸出以及發射端的距離、位置等信息。移動接收船分別按照規劃的路線進行運動，每次移動距離400～800 m，至少移動4個位置。固定發射端試驗路徑規劃圖如圖2所示。

圖2 固定發射端試驗路徑規劃

試驗時，在多個接收點上同時采集慣導數據、衛導RTK數據以及水聲測距數據，發射船和移動接收船的位置關系如圖3所示。

圖3 固定發射浮標和接收點位置示意

圖4 固定發射點組合定位選取數據

選擇圖3中幾組數據進行定位解算，選取數據點如圖4所示。

其中發射浮標位置為緯度31.11828540060°，經度114.46768954652°。位置1接收點衛導數據（緯度31.12358401784°，經度114.46703052911°），水聲測距值=588 m；位置2接收點衛導數據（緯度31.12116053564°，經度114.47070311995°），水聲測距值=429.5 m；位置3接收點衛導數據（緯度31.11670263719°，經度114.47055714038°），水聲測距值=324.7 m；位置4接收點衛導數據（緯度31.11598018880°，經度114.47280404847°），水聲測距值=550.2 m。

試驗時，由于慣導（因經費所限，選用較低精度慣導）漂移誤差較大，這里采用衛導變化量來代替慣導位置變化量，衛導變化量附加10 m左右的擾動，計算的用戶位置為緯度31.1158°，經度114.4726°，與位置4接收點衛導RTK基準數據（緯度31.11598018880°，經度114.47280404847°）的誤差為27.9 m（=1.62）。

3.2 發射船和接收船同時移動的組合導航試驗

發射端作為運動中的單浮標，通過筆記本網口控制發射通信和測距信號，移動接收船體接收發射船的位置和距離信號。在接收端記錄不同時刻的慣導系統原始輸出、衛星導航輸出以及發射端的距離、位置等信息。發射船和接收船分別按照規劃的路線進行運動，其中，移動發射端從1時刻到4時刻的總移動范圍30～50 m，移動接收船每次移動距離400～800 m，從1時刻到4時刻移動4個位置。移動發射端組合定位試驗路徑規劃圖如圖5所示。

發射船在水面漂移，接收船移動的位置試驗如圖6所示。

選擇其中的4組移動發射船和移動接收船數據，進行虛擬長基線定位計算，選擇數據如圖7和表1所示。

圖5 移動發射端組合定位試驗路徑規劃

圖6 移動發射浮標和移動接收點位置示意

圖7 移動發射浮標和移動接收點4組位置示意

采用以上4組數據，進行虛擬長基線定位解算結果（緯度31.1092°，經度114.4733°），與第4組船位置衛星導航RTK基準（經度31.10913375879°，緯度114.47318746719°）相比，誤差為13.00 m（=1.26）。

基于試驗數據分析可得到以下結論：

（1）在單浮標定位時，不論浮標位置固定或者移動，接收端采用水聲測距組合慣導的虛擬長基線定位，均能獲得較好的定位精度。發射浮標位置固定僅需要播發一次自身位置數據，而發射浮標位置移動時，則需要在播發測距信息之前先要播發自身位置數據。

（2）在單浮標虛擬長基線定位時，要選擇接收點位置分布具有較好幾何因子的數據進行結算，這樣最終定位結果能獲得較高精度。接收點幾何因子可以通過反復迭代計算來選擇較好幾何因子。

4 結語

基于單浮標的水聲/慣性組合導航定位方法，利用水下潛航器自身傳感器和慣導提供的有一定的精度保證的航向和速度信息，可以提供潛航器短時間內的精確的距離變化值，利用潛航器方位和距離變化值，可以推算出虛擬水聲浮標的精確位置，然后利用VLBL單浮標導航定位解算方法，可以保證單浮標定位解算有一定的精度，從而可以校正慣導的位置誤差，可長時間提供精確的導航定位信息，保證水下潛航器進行長航時實施水下作戰任務。

[1] 孫大軍，鄭翠娥，錢洪寶，等. 水聲定位系統在海洋工程中的應用[J]. 聲學技術，2012 31（2）：125-132．

[2] 田坦. 水下定位與導航技術[M]. 北京：國防工業出版社，2007.

[3] 張福斌，馬朋. 一種基于虛擬移動長基線的多AUV協同導航算法[J]. 魚雷技術，2013，21（2）：115-119.

[4] 張立川，徐德民，劉明雍，等. 基于移動長基線的多 AUV協同導航[J]. 機器人，2009，31（6）：581-585.

[5] 劉明雍，李聞白，劉富檣，等. 基于單浮標測距的水下導航系統可觀測性分析[J]. 西北工業大學學報，2011，29（1）：87-92.

Single-Buoy-Based Underwater Acoustic/Inertial Integrated Navigation Positioning and Experimental Verification

Inertial navigation is at the center of underwater navigation due to its passive and autonomous advantages. However, the error of inertial navigation increases with time, and it is difficult to provide accurate navigation information for a long time. In response to this problem, the paper proposes a single-buoy-based underwater acoustic/inertial integrated navigation and positioning method. With the help of the speed and azimuth information of the underwater submersible, the positions of the actual buoy and three virtual buoys, and the relationship with the underwater submersible, using long baseline navigation to realize the navigation and positioning of the underwater submersible. The test results show that, compared with inertial navigation, this method reduces errors and improves positioning accuracy, and it can ensure that the underwater submarine can carry out underwater combat missions during long voyages.

Underwater Submarine; Single Buoy; Underwater Acoustic Navigation; Inertial Navigation

U666.1

A

1674-7976-(2021)-03-179-05

2021-04-20。程琦（1994.01-），山西運城人，碩士，主要研究方向為水聲導航。