[发明专利]一种基于单信标的水下蛙人自导航方法

说明书

一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，用于为水下作业的蛙人提供其自身位置信息。该方法预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。蛙人开始运动时，首先根据其初始位置经航位推算系统实现自主定位，同时利用测距仪测出蛙人与单信标之间的距离，利用深度计测量蛙人所在位置的深度信息；当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；随后列写蛙人与虚拟信标之间满足的测距方程组，通过最小二乘法求解该方程组，实现蛙人的水下自导航。

技术领域

本发明涉及一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，利用蛙人自身携带的单信标水声测距装置、DVL、姿态传感器以及深度计，确定蛙人所处位置。适用于为水下作业的蛙人提供自导航服务。

背景技术

随着科技的不断发达，水下工程工作这一工种在近年来发展较为迅速，水下施工工作的分类也越来越繁多，蛙人在水下打捞、水下清淤、水下堵漏、水下摄影、水下检修、水下安装、水下救援等领域应用广泛。水下环境与水上有着很大区别：(1)能见度低，目视距离只有几米；(2)方向感差；(3)通信困难。当蛙人需要长时间、大范围水下作业时，无法搜索或准确到达预定目标，容易在水下失去方向。这将直接关系蛙人水下作业效果或作战任务成败，甚至危及蛙人生命安全，也是蛙人水下系统寻求解决的主要问题。因此，为了保障蛙人的生命安全，提高其水下作业任务的完成质量，满足国家有关部门对于蛙人所需达到的技术要求，需要对蛙人水下定位系统的可靠性与准确性进行研究。

蛙人自导航，是指蛙人通过自身携带的传感器以及测量设备，获取其所在位置信息的导航定位方法。与无线电波和光波相比，声波在水中传播吸收损失很小，传播距离甚至可达数百公里，利用声学原理进行定位的水声定位系统，已逐渐成为对水下航行器定位和导航的重要方式。目前，在水下较短距离内的精确导航定位领域，水下声学定位技术是广泛使用的主流技术，近几年来发展非常迅速。声学定位系统根据基线的长度不同，可以分为：长基线(Long Baseline，简称LBL)、短基线(Short Baseline，简称SBL)和超短基线(UltraShort Baseline，简称USBL或SSBL)3种类型。长基线系统定位精度最高，但系统复杂，需提前在海底布放多个信标；短基线和超短基线系统虽无需布置海底信标，但定位精度较低。对定位精度与信标系统布放的复杂程度进行综合考量，基于单信标测距的导航方法成为了目前发展水下导航定位技术的新方向。

一方面，该方法避免了水下信标与蛙人之间的方位测量(由于水下环境的复杂性，依靠水声手段来测量方位难度较大)，提高了量测数据的可靠性，且测量原理简单，易于施行；另一方面，该方法能有效降低硬件复杂性和安装复杂性，无需事先布放海底基阵和水面船只等辅助设备，使用成本较低，特别适于解决潜水员、蛙人等水下作业人员的水下定位问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：综合考量传统水声定位方法的定位精度与系统信标布放的复杂程度，提出一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，该方法预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。

本发明的技术解决方案为：一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其特点在于通过下列步骤实现：

(1)预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置；

(2)当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；

(3)利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。