[发明专利]一种用于水下滑翔器的组合导航装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于水下滑翔器的组合导航装置设计及方法，该装置具有体积小、低功耗、长航时等特点，可实现水下滑翔器的准确定位和自主导航。

背景技术

电子罗盘可分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，比起平面罗盘，三维电子罗盘因其内部加入了倾角传感器，克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，即使罗盘发生了倾斜，航向数据依然准确无误。有的罗盘还内置了温度补偿，最大限度得减少倾斜角和指向角的温度漂移。电子罗盘技术在国外应用比较多，但是在水下应用还存在一些问题。

GPS技术在导航、定位、测速、定向方面有着广泛的应用，但由于其信号常被地形、地物遮挡，导致精度大大降低，甚至不能使用。尤其是在高楼林立城区和植被茂密的林区，GPS信号的有效性仅为60％。该技术在国内外应用都比较广泛，也比较成熟，但应用于海上潜水器的导航还没有成熟的应用方案。

以惯性导航为主与GPS、电子罗盘集成的组合导航系统在国内外陆用、航空、航天以及水面载体有着广泛的应用，但水下滑翔器在水下工作时间很长，并且GPS信息在水下不能使用，单一惯性导航不能满足定位要求，且由于水下滑翔器对功耗、体积和精度要求较高，从而在水下滑翔器中组合导航系统均未能得到较好应用。

如何使GPS、电子罗盘、捷联式惯性组合导航系统能利用三者的优势，使系统整体性能达到最优，并能满足水下滑翔器长航时、低功耗、小体积的要求，这种系统在国内、外均无报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，设计了一种新的水下滑翔器的组合导航装置及方法，其算法克服了传统组合导航系统由于误差随时间累积而不能准确长时间定位的欠缺，并采取智能导航工作模式切换、多源系统自适应匹配、滤波和智能导航定位优化算法，提供了可靠性更高也更精确的定位服务。再加上硬件设计和软件优化，使得设备体积更小、功耗更低、航时更长，完成水下潜水器的自主导航和定位。

本发明的技术解决方案为：一种用于水下滑翔器的组合导航装置，包括电子罗盘、微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)、全球定位系统(GPS)接收模块、数字信号处理(DSP)处理模块；电子罗盘测量方位角得到航向信息；微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)测量姿态和航向变化，并借助电子罗盘航向信息进行校正；全球定位系统(GPS)接收模块则完成对水下滑翔器的水面定位、微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)的标定及校正；数字信号处理(DSP)处理模块完成对导航系统中各个模块数据的转化、处理，并将航向位置等数据输出到水下滑翔器中心计算机，实现自主导航与定位。

所述电子罗盘采用型号为ADIS16405，其内包括三轴陀螺，三轴加速度计，三轴磁力计。

所述数字信号处理(DSP)处理模块采用型号为TMS320C5505。

所述方法如下：采用电子罗盘测量方位角得到航向信息；采用微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)测量姿态和航向变化，并借助电子罗盘航向信息进行校正；采用全球定位系统(GPS)接收模块则完成对水下滑翔器的水面定位、微机电系统惯性测量单元(MEMS-IMU)的标定及校正；采用数字信号处理(DSP)处理模块完成对导航系统中各个模块数据的转化、处理，并将航向位置等数据输出到水下滑翔器中心计算机，实现自主导航与定位。

所述电子罗盘是由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和微控制单元(MCU)组成；三维磁阻传感器用来测量地球磁场；倾角传感器是在罗盘随着潜水体的倾斜而处于非水平状态时，对罗盘进行倾角补偿，保证了数据依然准确无误；微控制单元(MCU)处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。

一种用于水下滑翔器的组合导航装置的方法，算法包括以下：

(1)初始时刻，GPS对导航测量单元包括三维电子罗盘、三轴加速度计和三轴陀螺进行初始校正，得到初始信息；电子罗盘提供载体的初始航向信息，通过传递对准给捷联惯性导航系统以获得初始的失准角信息，而微机电系统惯性测量单元测得的角速率和加速度信息由捷联惯性导航系统导航姿态解算模块来处理，导航姿态解算系统由角速率和加速度信息解算出载体的速度、位置及姿态信息；陀螺和加速度计分别用来测量载体的角运动和线运动信息，导航解算模块根据这些测量信息建立姿态阵解算的数学平台，从而解算出运动载体的航向、姿态、速度及位置；