专利名称：一种小型水下航行器用组合导航系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种水下组合导航系统及方法，特别是一种适用于新一代国家海军水
域作战用小型水下航行器组合导航系统及方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代战争对武器装备提出了更新、更高的要求，由于受水域 作战条件的限制，特种部队所使用的水下航行器不能够精确定位，极大地限制了作战性能 和效果。导航系统必须提供航行器长时间的精确姿态、航向、速度和位置信息，而且精确的 导航能力也是水下航行器有效应用和安全回收的一个关键技术。受到航行器自身体积、重 量、能源使用条件的限制及水介质的特殊性、军事隐蔽性等因素的影响，实现AUV的精确导 航是一项艰难的任务。 目前，国际上水下导航已由单一导航方式向高精度、高可靠、综合化、智能化的水 下航行器用组合导航系统发展；信息处理方法也由单一数据源的处理，向多导航传感器多 数据源的信息融合发展。总的来说，组合导航代表了未来水下导航的发展方向，克服了传统 导航的缺陷和不足，使水下导航领域呈现出崭新的面貌，具有无比广阔的发展前景。
随着多种水下导航系统的不断出现，导航系统从先前的比较简单的单个导航系 统，过渡到惯性导航系统、多普勒导航系统、航行器载传感器系统(测深测潜仪、磁航向传 感器、尾流计)、地形辅助导航系统、超短基线/长基线综合声纳导航定位系统组成的组合 导航系统。随着对组合导航系统的精度要求和使用条件的不断提高，同时也促进了信息融 合技术的发展。1994年美国开始研究水下航行器组合导航系统，把信息融合技术列为90年 代重点研究开发的二十项关键技术之一，且列为最优先发展的A类。美国三军政府组织-实 验室理事联合会(JDL)下设的C3技术委员会(TPC3)专门成立了信息融合专家组来组织和 指导有关的工作。可见，水下多传感器组合导航技术已经成为了高性能水下导航的一个越 来越重要的发展方向。 要使水下航行器用组合导航系统具有高精度、高可靠性和高可用性，必须使其具 有一个合理和高效的体系结构，实现对各导航系统调度、使用和融合。现有组合导航系统体 系结构主要采是集中式和分布式，集中式结构就是将所有导航系统的测量数据都送到一个 中心处理器进行处理和融合，进行数据对准、数据互联和滤波，这种结构需要频带很宽的数 据传输总线来传输高速率的原始数据，数据互联较困难，并且要求系统必须具备大容量的 能力，计算负担重，需要有较强处理能力的中央处理器，所以系统的生存能力差；现有分布 式结构主要采用联邦滤波结构，如图1所示，其特点是n个系统的测量信息在传送到主滤 波器之前，先送到局部滤波器进行局部滤波处理，然后把处理后的信息和参考导航系统信 息送至主滤波器形成全局估计，提高导航系统精度，虽然这种结构对信道容量要求较低，一 旦参考导航系统失效则整个导航系统失效。因此采用集中式或分布式体系结构，结合惯性 导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经特点组成水下航行器用组合导航 系统，无法满足适用于新一代海军水域作战用水下组合导航系统体系结构高精度、高可靠性和高可用性的需要。
发明内容
技术问题本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种小型水下航行器用组 合导航系统及方法，可实现水下组合导航系统的高精度、高可靠性和高可用性。
技术方案本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明小型水下航行器用组合导航系统， 当系统发生故障时，所述导航系统由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形 辅助导航系统和磁罗经系统组成，还包括四个故障诊断及四个隔离�？椋黄渲械匦胃ㄖ� 航系统串接第一故障诊断�？楹蠓直鸾拥谝桓衾肽？�、捷联式惯性导航系统和多普勒导航 系统的输入端，磁罗经系统串接第二故障诊断�？楹蠓直鸾拥诙衾肽？�、捷联式惯性导 航系统和多普勒导航系统的输入端，捷联式惯性导航系统串接第三故障诊断�？楹蠼拥谌� 隔离�？椋嗥绽盏己较低炒拥谒墓收险锒夏？楹蠼拥谒母衾肽？椋谌收险锒夏？� 与第四故障诊断�？榱樱� 当系统无故障时，则分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系 统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统即捷联式 惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统和多普勒导航系统/地形辅 助导航系统/磁罗经系统组合导航系统； (a)捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由捷 联式惯性导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法�？�、两个子滤波 器和主滤波器组成，捷联式惯性导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入 端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖� 入端，磁罗经系统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙� 端，主滤波器的输出端串接第一智能优化算法模块后接第一子滤波器的输入端，主滤波器 的输出端串接第二智能优化算法�？楹蠼拥诙勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆私咏� 联式惯性导航系统的输入端； (b)多普勒导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由多普勒导 航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法模块、两个子滤波器和主滤波 器组成，多普勒导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导 航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍怕蘧� 统串接第二子滤波器后分别接第二智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖� 出端串接第一智能优化算法�？楹蠼拥谝蛔勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆舜拥诙� 智能优化算法�？楹蠼拥诙勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆私佣嗥绽盏己较低车氖� 入端。 —种小型水下航行器用组合导航方法，采用多级分层信息融合方法完成小型水下 航行器用多级多层拓扑型体系结构的高精度组合导航系统，多级分层信息融合方法通过下 列步骤实现 (1)首先对各导航系统，即捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航 系统和磁罗经系统进行自身故障检测，当所述的系统出现故障，则隔离此系统；当所述的系统未出现故障，则转步骤(2); (2)分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系统，地形辅助导 航系统和磁罗经系统为子系统建立两个分散化组合导航系统，得到组合修正的惯性导航系 统和多普勒导航系统信息； (3)利用步骤(2)得到捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统信息，进行捷联式
惯性导航系统和多普勒导航系统组合，采用捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组合滤
波的信息融合模式，实现组合导航系统的第二级融合，得到组合导航信息输出。 所述的系统重构方法如下当地形辅助导航系统和磁罗经系统两个系统发生故障
被隔离，捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组成组合导航系统；当出现捷联式惯性导
航系统和多普勒导航系统同时故障被隔离，磁罗经系统和地形辅助导航系统系统组合成组
合导航系统，地形辅助导航系统提高位置信息和磁罗经提供的航向姿态信息计算航行器的
导航信息，引导航行器安全航行；当捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统不同时故障，有
两个导航系统发生故障被隔离，此时小型水下航行器用组合导航系统可以采用捷联式惯性
导航系统或多普勒导航系统与地形辅助导航系统或磁罗经组成组合导航系统，进行导航；
当捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统无故障，其他三个导航系统发生故障被隔离时，
此小型水下航行器用组合导航系统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统进行导航。 捷联式惯性导航系统利用捷联解算得到载体的导航信息；多普勒导航系统进行速 度解算，得到导航信息；对捷联式惯性导航系统误差和多普勒导航系统的误差进行建模，建 立系统状态方程，通过组合卡尔曼滤波估计惯性导航系统和多普勒导航系统的误差量，然 后对两个系统进行反馈校正，修正捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的误差。
有益效果本发明与现有技术相比的优点在于 (1)本发明针对单一系统体系结构简单、可靠性和可用性差的问题，结合各导航系 统的优势进行组合导航，对组合导航系统进行故障诊断和信息融合，实现在部分系统故障 情况下隔离故障系统，完成系统重构，仍然能使导航继续工作，提高了组合导航系统的可靠 性和可用性。 (2)本发明针对现有组合导航体系结构中集中式和分布式结构不足，采用一种多 级分层的体系结构，分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为主系统，地形辅助导 航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统，再采用捷联式惯性导航 系统和多普勒导航系统信息融合模式，得到高精度的位置、速度和姿态航向信息，提高组合 导航系统精度。
图1为现有组合导航系统结构图； 图2为本发明的多级分层小型水下航行器用组合导航系统体系结构图； 图3为本发明的捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经组合导航系统
结构图； 图4为本发明的多普勒导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经组合导航系统结构 6
图5为本发明的捷联式惯性导航系统/多普勒导航系统信息融合原理图。 图中标号SINS捷联式惯性导航系统，DNS多普勒导航系统，TAN地形辅助导航系
统，MCP磁罗经系统。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明进一步详细说明 如图2所示，本发明由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系 统、磁罗经系统四个系统组成。地形辅助导航系统和磁罗经提供航行器位置、姿态和航向信 息，将地形辅助导航系统和磁罗经系统的信息传输给捷联式惯性导航系统和多普勒导航系 统组成两个联邦结构组合导航系统，再由捷联式惯性导航系统与多普勒导航系统进行信息 融合输出高精度的导航信息。采用多级分层信息融合方法通过下列步骤实现小型水下航行 器用组合导航系统体系结构 (1)首先进行故障检测，确定各系统的可用性； 小型水下航行器用组合导航系统综合考虑水下导航系统的可靠性和可用性，各导 航系统采用故障检测算法进行自身故障检测，确定捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、 地形辅助导航系统和磁罗经系统是否发生故障，即每个单独系统的可用性，如果出现某个 系统故障则隔离此系统，在有部分系统发生故障被隔离时实现导航系统重构，保证水下导 航系统正常工作；各系统无故障情况下进行以下步骤实现多级多层拓扑结构；
(2)当系统无故障时，分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航 系统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统；
系统无故障时，由于捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统输出导航信息多且运 行可靠性高，则分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系统，地形辅助 导航系统和磁罗经系统为子导航系统建立两个分散化组合导航系统，捷联式惯性导航系统 /地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统1和多普勒导航系统/地形辅助导航系统 /磁罗经系统组合导航系统2。第一个组合导航系统如图3所示，是一个以惯性导航系统为 主导航系统，以地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统的的两级主子联邦滤波器结 构，惯性导航系统可以提供位置、速度和姿态信息；地形辅助导航系统可以提供航行器经纬 度和高度信息；航行器载磁罗经可以提供姿态和航向信息，地形辅助导航系统观测信息输 出频率较低，而捷联式惯性导航系统输出信息频率较高，因此，当没有地形辅助导航系统输 出信息时，则将子滤波器向主滤波器的输出断开，而主滤波器按照捷联式惯性导航系统计 算；当地形辅助导航系统有观测信息时，将子滤波器输出的有关信息与捷联式惯性导航系 统输出信息相融合，采用智能优化算法进行子滤波器的重置，以便在下一次地形辅助导航 系统观测信息到来时进行运算。航行器载磁罗经系统与惯性导航系统组成的子滤波器，其 结构与捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统组合相同，进行信息融合组成小型水下航 行器用组合导航系统。这是一个两级决策系统，通过第一级(子滤波器)完成每个导航系 统的特征提�。迅魈卣飨蛄炕治煌卣鞯南低辰械谝患度诤希僭擞霉亓� 进行最优融合完成导航信息的判决和输出。另一个分散化组合导航系统如图4所示，其结 构与捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统结构相同，采用 多普勒导航系统为主导航系统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子导航系统，子滤波器依据各辅助导航系统提供的特征信息进行融合，并把状态反馈修正主系统，实现高精度的 二级组合导航系统。
(3)完成前一步两个组合导航系统信息融合后再进行捷联式惯性导航系统/多普
勒导航系统组合，利用前一步得到的捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的导航信息，
采用捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统误差状态组合模式，实现组合导航系统第二级
的信息融合，得到高精度的导航信息输出，完成小型水下航行器用多级拓扑型体系结构。 捷联式惯性导航系统/多普勒导航系统信息融合模式如图5所示，捷联式惯性导
航系统利用捷联解算得到载体的导航信息；多普勒导航系统系统声纳设备探测航行器相对
与海底的三维速度进行解算得到载体的导航信息；对捷联式惯性导航系统误差和多普勒导
航系统的测速误差进行建模，建立系统状态方程，通过组合卡尔曼滤波估计捷联式惯性导
航系统和多普勒导航系统的误差。由此，完成小型水下航行器用多级多层拓扑性体系结构，
在系统无故障情况下可得到高精度的小型水下航行器用组合导航系统导航信息。 当有系统发生故障被隔离时，本发明中的导航系统通过系统重构可以保证水下导
航系统正常工作，输出导航参数。在现有技术情况下，采用联邦滤波结构只有一个参考导航
系统，参考导航系统发生故障时整个组合导航系统将失效，无法完成导航任务，二本发明在
有导航系统失效的情况，利用剩余的完好的导航系统实现系统重构建立组合导航系统。当
任何一个导航系统故障情况下，如捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航
系统和磁罗经系统某一个系统发生故障被隔离时，余下的三个系统进行组合，可以保证有
两级滤波结构有效，组合导航系统输出高精度的导航信息；当地形辅助导航系统和磁罗经
系统两个系统发生故障被隔离情况下，捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统可以组成高
精度组合导航系统；当出现捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统同时故障被隔离的紧急
情况，地形辅助导航系统和磁罗经系统组合成组合导航系统3，使用地形辅助导航系统的位
置信息和磁罗经系统的航向姿态信息引导航行器安全航行至目的地；当惯性导航系统和多
普勒导航系统不同时故障情况下，有两个导航系统发生故障被隔离，此时水下组合导航系
统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统与地形辅助导航系统或磁罗经系统组
成组合导航系统，进行导航；当捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统无故障，其他三个导
航系统发生故障被隔离时，此时水下组合导航系统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒
导航系统进行导航。 此系统具有很强的容错和信息融合能力，可以大大提高小型水下航行器的导航系 统的可靠性、可用性和导航精度。使用此体系结构可以满足小型水下航行器航行的安全性 和可靠性，通过故障检测可以确定各子导航系统是否故障，以便及时修复排除险情。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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权利要求
一种小型水下航行器用组合导航系统，其特征在于当系统发生故障时，所述导航系统由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经系统组成，还包括四个故障诊断及四个隔离�？椋黄渲械匦胃ㄖ己较低炒拥谝还收险锒夏？楹蠓直鸾拥谝桓衾肽？�、捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的输入端，磁罗经系统串接第二故障诊断�？楹蠓直鸾拥诙衾肽？�、捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的输入端，捷联式惯性导航系统串接第三故障诊断�？楹蠼拥谌衾肽？椋嗥绽盏己较低炒拥谒墓收险锒夏？楹蠼拥谒母衾肽？椋谌收险锒夏？橛氲谒墓收险锒夏？榱樱坏毕低澄薰收鲜保蚍直鹨越萘焦咝缘己较低澈投嗥绽盏己较低澄慰嫉己较低常匦胃ㄖ己较低澈痛怕蘧低澄拥己较低辰⒘礁龇稚⒒楹系己较低臣唇萘焦咝缘己较低�/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统和多普勒导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统；(a)捷联式惯性导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由捷联式惯性导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法�？�、两个子滤波器和主滤波器组成，捷联式惯性导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍怕蘧低炒拥诙勇瞬ㄆ骱蠓直鸾拥诙悄苡呕惴？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆舜拥谝恢悄苡呕惴？楹蠼拥谝蛔勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆舜拥诙悄苡呕惴？楹蠼拥诙勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆私咏萘焦咝缘己较低车氖淙攵耍�(b)多普勒导航系统/地形辅助导航系统/磁罗经系统组合导航系统由多普勒导航系统、地形辅助导航系统、磁罗经系统、两个智能优化算法�？�、两个子滤波器和主滤波器组成，多普勒导航系统的输出端分别接两个子滤波器和主滤波器的输入端，地形辅助导航系统串接第一子滤波器后分别接第一智能优化算法�？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍怕蘧低炒拥诙勇瞬ㄆ骱蠓直鸾拥诙悄苡呕惴？楹椭髀瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆舜拥谝恢悄苡呕惴？楹蠼拥谝蛔勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆舜拥诙悄苡呕惴？楹蠼拥诙勇瞬ㄆ鞯氖淙攵耍髀瞬ㄆ鞯氖涑龆私佣嗥绽盏己较低车氖淙攵�。
2. —种小型水下航行器用组合导航方法，其特征在于采用多级分层信息融合方法完成小型水下航行器用多级多层拓扑型体系结构的高精度组合导航系统，多级分层信息融合方法通过下列步骤实现(1) 首先对各导航系统，即捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经系统进行自身故障检测，当所述的系统出现故障，则隔离此系统；当所述的系统未出现故障，则转步骤(2);(2) 分别以捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统为参考导航系统，地形辅助导航系统和磁罗经系统为子系统建立两个分散化组合导航系统，得到组合修正的惯性导航系统和多普勒导航系统信息；(3) 利用步骤(2)得到捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统信息，进行捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组合，采用捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组合滤波的信息融合模式，实现组合导航系统的第二级融合，得到组合导航信息输出。
3. 根据权利要求2所述的一种小型水下航行器用组合导航方法，其特征在于所述的系统重构方法如下当地形辅助导航系统和磁罗经系统两个系统发生故障被隔离，捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统组成组合导航系统；当出现捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统同时故障被隔离，磁罗经系统和地形辅助导航系统系统组合成组合导航系统，地形辅助导航系统提高位置信息和磁罗经提供的航向姿态信息计算航行器的导航信息，引导航行器安全航行；当捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统不同时故障，有两个导航系统发生故障被隔离，此时小型水下航行器用组合导航系统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统与地形辅助导航系统或磁罗经组成组合导航系统，进行导航；当捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统无故障，其他三个导航系统发生故障被隔离时，此小型水下航行器用组合导航系统可以采用捷联式惯性导航系统或多普勒导航系统进行导航。
4. 根据权利要求2所述的一种小型水下航行器用组合导航方法，其特征在于捷联式惯性导航系统利用捷联解算得到载体的导航信息；多普勒导航系统进行速度解算，得到导航信息；对捷联式惯性导航系统误差和多普勒导航系统的误差进行建模，建立系统状态方程，通过组合卡尔曼滤波估计惯性导航系统和多普勒导航系统的误差量，然后对两个系统进行反馈校正，修正捷联式惯性导航系统和多普勒导航系统的误差。
全文摘要
本发明公布了一种小型水下航行器用组合导航系统及方法，本发明由捷联式惯性导航系统、多普勒导航系统、地形辅助导航系统和磁罗经组成，先通过故障诊断判断单个导航系统是否正常运行情况下，采用多级分多层结构，结合各导航传感器的特点，通过信息融合方法得到组合导航系统高精度的导航信息，提高组合导航系统精度；当有部分导航系统故障时，实现系统重构，仍然能使水下航行器继续工作，提高小型水下航行器用组合导航系统的可靠性和可用性。
文档编号G01C21/00GK101788295SQ201010114558
公开日2010年7月28日 申请日期2010年2月26日 优先权日2010年2月26日
发明者张自嘉, 徐晓苏, 杨常松, 王其, 王春燕 申请人:南京信息工程大学
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