专利摘要

本发明公布了一种用于水下深潜器导航系统及精准三点定位方法，导航系统包括极低频收发模块、GPS收发模块、电子罗盘、数字信号处理处理单元、微机电惯性测量单元及深潜器中心计算机。本发明采用MEMS陀螺仪、MEMS加速度计组成姿态测量单元，和电子罗盘集成为惯性组合导航定位系统，并配合控制系统。当深潜器位于水面，深潜器切换至GPS模式，利用GPS收发模块获取位置信息；当深潜器潜入水下，GPS定位数据失效或DOP增大到预定阀值时，深潜器切换至航位推算模式，结合极低频无线电磁波的深海特性，使用四个极低频陆地基站的三点定位方法进行定位。本发明可以实现导航信息高精度获取的目的，完成水下深潜器自主精准导航与定位。

权利要求

1.一种用于水下深潜器的精准三点定位方法，其特征在于，采用用于水下深潜器的导航系统，所述导航系统包括GPS收发模块、极低频收发模块、导航测量单元、数字信号处理单元及深潜器中心计算机，导航测量单元包括微机电惯性测量单元及电子罗盘；所述GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘分别与数字信号处理单元连接；数字信号处理单元用于接收GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘的数据，将数据进行处理后传输至深潜器中心计算机，深潜器中心计算机用于实现深潜器的自主导航与定位；微机电惯性测量单元用于测量姿态和航向信息；电子罗盘用于测量方位角及对航向信息进行校正；GPS收发模块用于获取水下深潜器浮出水面时的经纬度信息，微机电惯性测量单元的标定及校对；极低频收发模块用于在深海接收及发射导航信息；

所述水下深潜器的精准三点定位方法包括以下步骤：

(1)GPS收发模块对导航测量单元进行初始校正；

(2)判断深潜器是否在水面，若深潜器位于水面，深潜器切换至GPS模式，执行步骤(3)；当深潜器潜入水下，GPS定位数据失效或DOP增大到预定阀值时，深潜器切换至航位推算模式，执行步骤(4)；

(3)直接由GPS收发模块传输位于水面的水下深潜器的经纬度信息给数字信号处理单元，数字信号处理单元对经纬度信息进行处理后传输至深潜器中心计算机；

(4)使用微机电惯性测量单元测量姿态和航向信息；使用电子罗盘测量方位角并对航向信息进行校正，电子罗盘输出的数据通过数字信号处理单元进行处理后传输至深潜器的中心计算机；由极低频收发模块将姿态和校正后的航向信息传输给陆地基站，陆地基站利用三点定位方法解算出精确的位置信息后，再用极低频电磁波将位置信息传输至导航解算模块，所述导航解算模块包括数字信号处理单元及中心计算机，导航解算模块根据位置信息建立姿态矩阵，电子罗盘测量磁场数据，数字信号处理单元利用自适应定位算法结合微机电惯性测量单元及电子罗盘测得的数据进行数据融合，不断调节各系统噪声和系统调节参数，得到最优航向角和姿态角；其中，陆地基站为四个极低频陆地基站，四个极低频陆地基站接收到导航信息后，采用三点定位方法解算出深潜器精确的位置信息，具体包括：建立坐标系；设点(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(xn,yn,zn)分别为四个极低频陆地基站和深潜器在该坐标系下的坐标点，四个极低频陆地基站到深潜器间的伪距分别为p1、p2、p3、p4；bn为距离误差；已知四个极低频陆地基站的坐标及陆地基站到深潜器间的距离，对如下方程微分、线性化处理解算出深潜器的位置信息：

所述步骤(4)还包括抑制噪声的步骤：

(a)当深潜器从水下浮到水面时，导航测量单元接收GPS信号进行信息校正；

(b)利用导航测量单元获取t时刻系统噪声的量测值，根据经验估计出t时刻噪声的估计值，由t时刻的量测值和估计值解算出t时刻的噪声方差；

(c)利用导航测量单元获取t+1时刻系统噪声的量测值，由t时刻噪声的量测值和t时刻的噪声方差估计出t+1时刻噪声的估计值；通过收集t+1时刻噪声的量测值和估计值，利用自适应卡尔曼滤波的衰减因子导航方法更新噪声方差；

(d)设定噪声方差阈值，重复步骤(c)直到更新后的噪声方差小于噪声方差阈值，达到抑制噪声的效果。

说明书

技术领域

本发明属于水下定位导航领域，尤其涉及一种用于水下深潜器的导航系统及精准三点定位方法，该装置具有低功耗、精度高等可靠特点，可实现水下深潜器的精准定位。

背景技术

经过近年来的研究发现，极低频电磁波(0.1-30-300Hz)在深海中有较好穿透性，电磁波频率越低，趋肤深度越大，就越容易穿透海水向下传播，故探测海洋内波应尽量使用频率低的波段。

电子罗盘可分为三维电子罗盘和平面电子罗盘两种，相对于平面罗盘，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。有的罗盘还内置了温度补偿，最大限度得限制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。

全球卫星导航系统(Global Position System,GPS)是无线导航与天文电导航的结合体，它由GPS接收机、地面控制系统及GPS星座三部分组成。GPS通过测距进行相对定位，为GPS用户提供导航位置信息。用户通过接收机解调出载波中的导航电文，然后解算出导航位置信息。GPS导航系统能够全球、实时、全天候提供载体的三维位置、速度等导航信息服务，具有导航精度稳定的特点。GPS导航的基本原理决定了，只有在可见卫星数量达到四颗或四颗以上的条件下才能正常工作。所以在接收机天线被建筑物、树叶等障碍物遮挡或者在深海的条件下，可见卫星数目很难达到要求。由于GPS接收机跟踪环的结构特点，使得GPS机动性能差。GPS导航解算的复杂性，使得接收机导航信息的更新频率仅有几赫兹，难以满足特殊条件下的对导航信息输出频率的要求。上述特点使得GPS很难作为高性能的主导航系统，很多情况下将GPS用作主导航系统的辅助系统。

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大量的应用，但水下深潜器在深海中工作时间很长，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，且由于水下深潜器对功耗、体积和精度要求较高，所以在水下深潜器组合导航系统均未能得到较好应用。

如何充分利用电子罗盘、极低频电磁波、GPS、捷联式惯性组合导航系统四者的优点，达到高精度、长航时的要求，将是一个较为困难的问题，且这种系统在国内、外均无报道。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，克服传统导航系统电磁波传输信息的不足，本发明提供一种用于水下深潜器的导航系统及精准三点定位方法。

技术方案：一种用于水下深潜器的导航系统，包括GPS收发模块、极低频收发模块、导航测量单元、数字信号处理单元及深潜器中心计算机，导航测量单元包括微机电惯性测量单元及电子罗盘；所述GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘分别与数字信号处理单元连接；数字信号处理单元用于接收GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘的数据，将数据进行处理后传输至深潜器中心计算机，深潜器中心计算机用于实现深潜器的自主导航与定位。

进一步的，微机电惯性测量单元用于测量姿态和航向信息；电子罗盘用于测量方位角及对航向信息进行校正；GPS收发模块用于获取水下深潜器浮出水面时的经纬度信息，微机电惯性测量单元的标定及校对；极低频收发模块用于在深海接收及发射导航信息。

进一步的，所述电子罗盘为三维电子罗盘，三维电子罗盘包括双轴倾角传感器、三维磁阻传感器和微控制单元；三维磁阻传感器用于测量地球磁场；倾角传感器用于在罗盘随着深潜器的倾斜处于非水平时对罗盘进行倾角补偿；所述微控制单元采用OMAP-L1系列。

进一步的，所述数字信号处理单元选用TMS320系列。

进一步的，所述微机电惯性测量单元及电子罗盘采用集成的ADIS系列的动态方位检测惯性系统，所述ADIS系列的动态方位检测惯性系统包括三轴陀螺、三轴加速计及三轴高性能磁力计。

一种用于水下深潜器的精准三点定位方法，包括以下步骤：

(1)GPS收发模块对导航测量单元进行初始校正；

(2)判断深潜器是否在水面，若深潜器位于水面，深潜器切换至GPS模式，执行步骤(3)；当深潜器潜入水下，GPS定位数据失效或DOP增大到预定阀值时，深潜器切换至航位推算模式，执行步骤(4)；

(3)直接由GPS收发模块传输位于水面的水下深潜器的经纬度信息给数字信号处理单元，数字信号处理单元对经纬度信息进行处理后传输至深潜器中心计算机；

(4)使用微机电惯性测量单元测量姿态和航向信息；使用电子罗盘测量方位角并对航向信息进行校正，电子罗盘输出的数据通过数字信号处理单元进行处理后传输至深潜器的中心计算机；由极低频收发模块将姿态和校正后的航向信息传输给陆地基站，陆地基站利用三点定位方法解算出精确的位置信息后，再用极低频电磁波将位置信息传输至导航解算模块，所述导航解算模块包括数字信号处理单元及中心计算机，导航解算模块根据位置信息建立姿态矩阵，电子罗盘测量磁场数据，数字信号处理单元利用自适应定位算法结合微机电惯性测量单元及电子罗盘测得的数据进行数据融合，不断调节各系统噪声和系统调节参数，得到最优航向角和姿态角。

进一步的，所述步骤(4)中，陆地基站为四个极低频陆地基站，四个极低频陆地基站接收到导航信息后，采用三点定位方法解算出深潜器精确的位置信息，具体包括：建立坐标系；设点(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(xn,yn,zn)分别为四个极低频陆地基站和深潜器在该坐标系下的坐标点，四个极低频陆地基站到深潜器间的伪距分别为p1、p2、p3、p4；已知四个极低频陆地基站的坐标及陆地基站到深潜器间的距离对如下方程微分、线性化处理解算出深潜器的位置信息：

进一步的，还包括抑制噪声的步骤：

(a)当深潜器从水下浮到水面时，导航测量单元接收GPS信号进行信息校正；

(b)利用导航测量单元获取t时刻系统噪声的量测值，根据经验估计出t时刻噪声的估计值，由t时刻的量测值和估计值解算出t时刻的噪声方差；

(c)利用导航测量单元获取t+1时刻系统噪声的量测值，由t时刻噪声的量测值和t时刻的噪声方差估计出t+1时刻噪声的估计值；通过收集t+1时刻噪声的测量值和估计值，利用自适应卡尔曼滤波的衰减因子导航方法更新噪声方差；

(d)设定噪声方差阈值，重复步骤(c)直到更新后的噪声方差小于噪声方差阈值，达到抑制噪声的效果。

有益效果：本发明提供一种用于水下深潜器的导航系统及精准三点定位方法，可以利用极低频电磁波在深海中良好的穿透性，传输确定深潜器的精确位置信息，具有较强的环境适应能力，可以更自主地、更合理地利用导航信息资源；该导航系统基于电子罗盘、MEMS捷联惯性系统与GPS系统的集成技术，成本较低、易于优化、可移植性好，其定位方法较为简单、精度较高。

附图说明

图1为一种用于水下深潜器的导航系统的原理图；

图2为精准三点定位方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

该用于水下深潜器的导航系统，为了提高水下深潜器自主导航的精度、稳定性、低功耗，本发明从组合导航的信息接收方式上进行改良设计，采用低频电磁波传输深潜器的导航信息。该用于水下深潜器的导航系统包括全球定位系统GPS收发模块、极低频收发模块、导航测量单元、数字信号处理(DSP)单元及深潜器中心计算机，导航测量单元包括微机电惯性测量单元(MEMS IMU)及电子罗盘；所述GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘分别与数字信号处理单元连接；数字信号处理单元用于接收GPS收发模块、极低频收发模块、微机电惯性测量单元、电子罗盘的数据，并对导航系统中各个模块的数据进行转化、运算等，将数据进行处理后传输至深潜器中心计算机，深潜器中心计算机用于实现深潜器的自主导航与定位。

其中，微机电惯性测量单元用于测量姿态和航向信息；电子罗盘用于测量方位角及对航向信息进行校正；GPS收发模块用于对水下深潜器的水面定位(即当水下深潜器浮出水面时获取其经纬度信息)、微机电惯性测量单元的标定及校对；极低频收发模块用于在深海接收及发射导航信息。

所述电子罗盘为三维电子罗盘，作为一种较高精度传感器，三维电子罗盘包括双轴倾角传感器、三维磁阻传感器和微控制单元MCU；三维磁阻传感器用于测量地球磁场；倾角传感器用于在罗盘随着深潜器的倾斜处于非水平时对罗盘进行倾角补偿，保证了数据精准度；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。此处的MCU选用OMAP-L1系列，这款产品是业界功耗最低的浮点，大大降低了双核通讯的开发难度，可充分满足工业应用的高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。不仅具备通用并行端口(uPP)，同时也是TI首批集成串行高级技术附件(SATA)的器件。可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。

所述数字信号处理单元选用TMS320系列，这款芯片也是业界功耗最低的浮点DSP，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。TI首款集成串行高技术附件(SATA)的处理器，可支持大容量数据存储，高达300MHz的C674x内核可为高精度及宽动态范围提供浮点工作能力以及能实现更高性能的定点工作能力；而且由于该芯片丰富的引脚功能，很多驱动均集成在TMS320系列芯片内，并集成了丰富的外设接口，在和外围电路连接时，能省去驱动电路，这些都可以有效地简化电路和减小能耗。

如果将电子罗盘和IMU分别进行选配，两者之间会存在一定的电磁干扰，电子罗盘的精度会降低，为了使两者能可靠的结合又不影响导航精度，所述微机电惯性测量单元及电子罗盘采用集成的ADIS系列的动态方位检测惯性系统，所述ADIS系列的动态方位检测惯性系统包括三轴陀螺、三轴加速计及三轴高性能磁力计。它将能优化动态性能的数据调节功能与业界最好的iMEMS技术结合。每种传感器都有自己的动态补偿，能在-40℃～+70℃温度范围内提供准确的传感测量值。磁力计也能通过自校正提供准确的偏差。ADIS系列为精确的多轴惯性检测与工业系统的集成提供了高效的方法。所有必需的运动测试及校准都是工厂生产过程的一部分，缩短了系统集成时间。严格的正交对准可简化导航系统中的惯性坐标系对准。串行外设接口(SPI)和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供接口。

如图1为用于水下深潜器的导航系统的原理示意图，用于水下深潜器的精准三点定位方法，在水下深潜器放入水中之前，要首先用误差校正的方法对陀螺产生零位误差进行校正。电子罗盘除了自带的误差补偿外，还应利用GPS信息和合适的方法对其进行误差补偿，这样就使导航测量模块得到精确的初始信息。表1是通过实验获取的极低频电磁波的深海特性，能够明显体现极低频电磁波在深海中优良的穿透性，说明了深海极低频电磁波传输的可行性，其中，δ为海水导电率；f为电磁波频率； 当δ＝4s/m时，

表1极低频电磁波频深海特性

具体地，用于水下深潜器的精准三点定位方法包括以下步骤：

(1)GPS收发模块对导航测量单元指进行初始校正；

(2)判断深潜器是否在水面，若深潜器位于水面，深潜器切换至GPS模式，执行步骤(3)；当深潜器潜入水下，GPS定位数据失效或DOP(精度强弱度，通译为相对误差，可由GPS得)增大到预定阀值时，深潜器切换至航位推算模式，执行步骤(4)；

(3)直接由GPS收发模块将位于水面的水下深潜器的经纬度信息传输给数字信号处理单元，数字信号处理单元对经纬度信息进行处理后传输至深潜器中心计算机；

(4)使用微机电惯性测量单元测量姿态和航向信息；使用电子罗盘测量方位角并对航向信息进行校正，电子罗盘输出的数据通过数字信号处理单元进行处理后传输至深潜器的中心计算机；由极低频收发模块将姿态和校正后的航向信息传输给陆地基站，陆地基站利用三点定位方法解算出精确的位置信息后，再用极低频电磁波将位置信息传输至导航解算模块，所述导航解算模块包括数字信号处理单元及中心计算机，导航解算模块根据位置信息建立姿态矩阵，电子罗盘测量磁场数据，数字信号处理单元利用自适应定位算法结合微机电惯性测量单元及电子罗盘测得的数据进行数据融合，不断调节各系统噪声和系统调节参数，得到最优航向角和姿态角。

一旦水下深潜器深潜入水中时，GPS定位数据失效或DOP增大到预定的阀值时，则切换到航位推算模式，用极低频收发装置传输导航信息，此时用极低频陆地基站三点定位的方法来确定深潜器的位置，三点定位方法的基本原理可通过图2简要说明，若已知其中任意三个极低频陆地基站精确坐标及陆地基站到接收机间的距离(假设现已知的极低频陆地基站坐标分别为1号、2号、3号，假设这三个极低频陆地基站到接收机的距离分别为p1、p2、p3)，通过解三元方程组即可解算出用户的精确位置信息，但是在实际情况下，由于用户接收机钟差等误差因素的影响，使得实际测得的极低频陆地基站到接收机间的距离是包含了各种误差的粗略的距离(误差记为bn)，进而导致用户定位解算的不准确。为了实现减小用户接收机的时钟偏差所引起的距离误差的目的，至少有四个距离表达式才能实现，所以实际操作中选择四个极低频陆地基站。为了提高导航精度，配合惯性器件高精度标定方法，配合四个极低频陆地基站用三点定位方法得到精确深潜器的位置信息，其中点(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，(xn,yn,zn)分别为陆上1号、2号、3号、4号4个极低频陆地基站和深潜器在WGS-84坐标系下的坐标点。四个极低频陆地基站接收到导航信息后，采用三点定位方法解算出深潜器精确的位置信息，具体包括：建立坐标系；设点(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(xn,yn,zn)分别为四个极低频陆地基站和深潜器在该坐标系下的坐标点，四个极低频陆地基站到深潜器间的伪距分别为p1、p2、p3、p4；已知四个极低频陆地基站的坐标及陆地基站到深潜器间的距离对如下方程微分、线性化处理解算出深潜器的位置信息：

当深潜器从水下浮到水面时，深潜器中心计算机接收GPS信号进行信息校正时，由于导航传感器的增加，这时需采用自适应滤波算法处理多传感器的信息融合来提高导航精度。组合导航系统测量信息有冗余，当敏感器性能下降，测量噪声增大时，采用基于自适应卡尔曼滤波的衰减因子导航方法抑制噪声。由于接近当前时间的测量值可以更准确地反映噪声的特征，因此引入衰减因子以增加当前值的权重，以便处理由环境干扰引起的噪声变化。抑制噪声的具体步骤包括：

(a)当深潜器从水下浮到水面时，导航测量单元接收GPS信号进行信息校正；

(b)利用导航测量单元获取t时刻系统噪声的量测值，根据经验估计出t时刻噪声的估计值，由t时刻的量测值和估计值解算出t时刻的噪声方差；

(c)利用导航测量单元获取t+1时刻系统噪声的量测值，由t时刻噪声的量测值和t时刻的噪声方差估计出t+1时刻噪声的估计值；通过收集t+1时刻噪声的测量值和估计值，利用自适应卡尔曼滤波的衰减因子导航方法更新噪声方差；

(d)设定噪声方差阈值，重复步骤(c)直到更新后的噪声方差小于噪声方差阈值，达到抑制噪声的效果。

该精准三点定位方法不是简单的使用现有的三点定位方法，更重要的是自适应转换组合的应用，采用自适应转换组合方式的航位推算方案，自适应转换组合方案有两种工作状态：GPS模式(模式1)和航位推算(DR)模式(模式2)，系统工作在何种模式取决于GPS信号的有效性和DOP精度因子。当深潜器在水面工作时，因环境相对稳定，前行速度均匀，利用海流数据库得出海流速度，推算出恒定的外在干扰以用于后续的航位推算；此时系统工作在GPS模式，同时利用GPS的输出数据，刷新DR系统的推算位置，对航位进行校正；一旦深潜器潜入水中，GPS定位数据失效或DOP增大到预定的阀值，则切换到DR模式，利用极低频收发装置传输导航信息，配合四个陆地基站使用三点定位的方法确定深潜器的位置，然后通过极低频电磁波传输至深潜器，深潜器根据精确的位置信息导航。

一种用于水下深潜器的导航系统及精准三点定位方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。