本发明属于导航定位技术领域，具体涉及一种实现水下拖体定位的组合导航装置及定位方法。包括超短基线水声定位装置、惯性导航仪、水上综合处理机；其中所述超短基线水声定位装置包括GPS装置、声信标、超短基线基元阵；该导航装置用于母船、水下拖体，在母船上设有一个垂直方向的支架，所述声信标安装在母船支架的底端上，所述GPS装置安装在母船支架的顶端上，所述惯性导航仪、超短基线基元阵安装在所述水下拖体上，所述惯性导航仪与超短基线基元阵相连，所述惯性导航仪、超短基线基元阵和GPS装置均与所述水上综合处理机相连；本发明的定位方法不受海洋环境噪声的影响，即使单次水声定位效果很差，惯性导航仪会用滤波器将其过滤，保持定位的稳定性。
1.一种实现水下拖体定位的组合导航装置，包括超短基线水声定位装置、惯性导航仪(9)以及设置在母船(1)上的水上综合处理机(6)；其中所述超短基线水声定位装置包括GPS装置(4)、声信标(5)、超短基线基元阵(8)；
其特征在于：在母船(1)上设有一个垂直方向的母船支架(3)，所述声信标(5)安装在母船支架(3)的底端上，所述GPS装置(4)安装在母船支架(3)的顶端上，所述惯性导航仪(9)、超短基线基元阵(8)安装在水下拖体(2)上，所述惯性导航仪(9)与所述超短基线基元阵(8)相连，所述惯性导航仪(9)、超短基线基元阵(8)和GPS装置(4)均与所述水上综合处理机(6)相连；
所述GPS装置(4)向所述水上综合处理机(6)发送所述声信标(5)的GPS位置，同时所述超短基线基元阵(8)向所述声信标(5)发送声信号，所述声信标(5)收到声信号后应答，所述超短基线基元阵(8)接收所述声信标(5)的声信号。
2.如权利要求1所述的一种实现水下拖体定位的组合导航装置，其特征在于：在所述惯性导航仪(9)上还设有滤波器。
3.一种如权利要求1或2所述组合导航装置的定位方法，其特征在于：
步骤一、所述超短基线基元阵(8)接收所述声信标(5)的声信号时向所述惯性导航仪(9)发送同步脉冲信号，发送同步脉冲信号的时间设为t1，所述惯性导航仪(9)接收所述超短基线基元阵(8)的同步脉冲信号并记忆t1；
步骤二、所述超短基线基元阵(8)得出所述声信标(5)与所述超短基线基元阵(8)的相对位置，并向所述水上综合处理机(6)发送所述声信标(5)与超短基线基元阵(8)的相对位置和t1；
步骤三、所述水上综合处理机(6)根据得到的所述声信标(5)与超短基线基元阵(8)的相对位置以及所述GPS装置(4)传送的所述声信标(5)的GPS位置，得出所述超短基线基元阵(8)的GPS位置a，得出所述超短基线基元阵(8)的GPS位置a的时间设为t2，并将所述超短基线基元阵(8)的GPS位置a和t2发送至所述惯性导航仪(9)；
步骤四、所述惯性导航仪(9)收到所述超短基线基元阵(8)的GPS位置a和t2后，判断t1和t2的差值，当差值的绝对值小于或等于0.5s时，所述惯性导航仪(9)进行组合导航处理，得到所述超短基线基元阵(8)的GPS位置b，并将所述超短基线基元阵(8)的GPS位置b传送至所述水上综合处理机(6)进行显示；
当差值的绝对值大于0.5s时，所述惯性导航仪(9)结束组合导航处理；
上述得到的所述超短基线基元阵(8)的GPS位置b即为水下拖体的最终位置。
一种实现水下拖体定位的组合导航装置及定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于导航定位技术领域，涉及一种组合导航装置及定位方法，特别涉及一种实现水下拖体定位的组合导航装置及定位方法。
背景技术
[0002] 在反水雷以及各种海洋勘探活动中，通常会利用声纳进行水下目标探测定位，而对搭载声纳的平台（如水下拖体、自主航行器等）进行精准地定位是最终对目标探测定位的关键。
[0003] 超短基线水声定位（USBL）是比较常用的水下拖体定位方法，其原理是通过多个基元阵接收同一个反射声波的信号，解算出目标的相对位置。单纯的超短基线水声定位方法易受到海洋环境噪声的干扰，单次定位误差较大（以4基元阵超短基线定位系统为例，100m斜距定位绝对误差约为3m）。
[0004] 惯性导航（INS）是一种常用的高精度导航技术，在导弹、飞行器、船舶等领域都有广泛的应用，其原理是测量当前航行体的加速度、速度、角速度信息，计算该航行体的实时位置。惯性导航在定位之初需要一个基准坐标值，且在长时间工作后会出现“时漂”现象，为解决上述问题，一般的陆上设备需要使用GPS系统与惯性导航组合，从而形成GPS惯导组合导航系统。
[0005] 由于水下拖体工作在水下，无法装载GPS系统，因此要获得高精度的水下拖体定位精度，必须依靠超短基线水声定位与惯性导航的相互配合。
发明内容
[0006] 针对上述问题，本发明设计了一种实现水下拖体定位的组合导航装置及定位方法，它可以将超短基线水声定位方技术与惯性导航技术相融合，从而对水下拖体进行定位。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种实现水下拖体定位的组合导航装置，包括超短基线水声定位装置、惯性导航仪、水上综合处理机；其中所述超短基线水声定位装置包括GPS装置、声信标、超短基线基元阵；该导航装置用于母船、水下拖体，在母船上设有一个垂直方向的支架，
[0008] 所述声信标安装在母船支架的底端上，所述GPS装置安装在母船支架的顶端上，所述惯性导航仪、超短基线基元阵安装在所述水下拖体上，所述惯性导航仪与超短基线基元阵相连，所述惯性导航仪、超短基线基元阵和GPS装置均与所述水上综合处理机相连；
[0009] 所述GPS装置向水上综合处理机发送声信标的GPS位置，同时超短基线基元阵向声信标发送声信号，声信标收到声信号后应答，超短基线基元阵接收声信标的声信号。
[0010] 在惯性导航仪上还设有滤波器。可以将单次定位误差较大的位置点过滤，保持定位的稳定性。
[0011] 该装置的定位方法在于：
[0012] 步骤一、所述超短基线基元阵接收所述声信标的声信号时向所述惯性导航仪发送同步脉冲信号，发送同步脉冲信号的时间设为t1，所述惯性导航仪接收所述超短基线基元阵的同步脉冲信号并记忆t1；
[0013] 步骤二、所述超短基线基元阵得出所述声信标与所述超短基线基元阵的相对位置，并向所述水上综合处理机发送所述声信标与所述超短基线基元阵的相对位置和t1；
[0014] 步骤三、所述水上综合处理机根据得到的所述声信标与所述超短基线基元阵的相对位置以及GPS装置传送的所述声信标的GPS位置，得出所述超短基线基元阵的GPS位置a，得出所述超短基线基元阵的GPS位置a的时间设为t2，并将所述超短基线基元阵的GPS位置a和t2发送至所述惯性导航仪；
[0015] 步骤四、所述惯性导航仪收到所述超短基线基元阵的GPS位置a和t2后，判断t1和t2的差值，
[0016] 当差值的绝对值小于或等于0.5s时，所述惯性导航仪进行组合导航处理，得到所述超短基线基元阵的GPS位置b，并将所述超短基线基元阵的GPS位置b传送至所述水上综合处理机进行显示；
[0017] 当差值的绝对值大于0.5s时，结束工作；
[0018] 上述得到的所述超短基线基元阵的GPS位置b即为水下拖体的最终位置。
[0019] 本发明的优点和有益效果在于：
[0020] 一、不受海洋环境噪声的影响，即使单次水声定位效果很差，惯性导航仪会用滤波器将其过滤，保持定位的稳定性；
[0021] 二、每帧都向惯性导航发送水声定位数据，解决了单纯用惯性导航仪带来的“时漂”问题；
[0022] 三、将超短基线水声定位技术与惯性导航技术相融合，解决了无法对水下拖体进行组合导航的问题。
附图说明
[0023] 图1是本发明组成示意图；
[0024] 图2是本发明数据处理流程图；
[0025] 图3是本发明中组合导航处理原理图。
[0026] 其中，1-母船；2-水下拖体；3-母船支架；4-GPS装置；5-声信标；6-水上综合处理机；7-绞车；8-超短基线基元阵；9-惯性导航仪。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0028] 如图1、图2和图3所示，本发明具体实施的技术方案是：一种实现水下拖体定位的组合导航装置，包括超短基线水声定位装置、惯性导航仪9、水上综合处理机6；其中所述超短基线水声定位装置包括GPS装置4、声信标5、超短基线基元阵8；该导航装置用于于母船1、水下拖体2，在母船1上设有一个垂直方向的母船支架3，在所述母船1上还安装有绞车7，所述水下拖体2通过绞车7的缆绳施放在水下；
[0029] 所述声信标5安装在所述母船支架3的底端上，所述GPS装置4安装在母船支架3的顶端上，所述惯性导航仪9、超短基线基元阵8安装在所述水下拖体2上，所述惯性导航仪9与所述超短基线基元阵8相连，所述惯性导航仪9、超短基线基元阵8和GPS装置4均与所述水上综合处理机6相连；
[0030] 所述GPS装置4向所述水上综合处理机6发送所述声信标5的GPS位置，同时所述超短基线基元阵8向所述声信标5发送声信号，所述声信标5收到声信号后应答，所述超短基线基元阵8接收所述声信标5的声信号。
[0031] 在惯性导航仪9上还设有滤波器。可以将单次定位误差较大的位置点过滤，保持定位的稳定性。
[0032] 该导航装置的定位方法在于：
[0033] 步骤一、所述超短基线基元阵8接收所述声信标5的声信号时向所述惯性导航仪9发送同步脉冲信号，发送同步脉冲信号的时间设为t1，所述惯性导航仪9接收所述超短基线基元阵8的同步脉冲信号并记忆t1；
[0034] 步骤二、所述超短基线基元阵8得出所述声信标5与所述超短基线基元阵8的相对位置，并向所述水上综合处理机6发送所述声信标5与所述超短基线基元阵8的相对位置和t1；
[0035] 步骤三、所述水上综合处理机6根据得到的所述声信标5与所述超短基线基元阵8的相对位置以及GPS装置4传送的所述声信标5的GPS位置，得出所述超短基线基元阵8的GPS位置a，得出超短基线基元阵8的GPS位置a的时间设为t2，并将所述超短基线基元阵8的GPS位置a和t2发送至惯性导航仪9；
[0036] 步骤四、所述惯性导航仪9收到所述超短基线基元阵8的GPS位置a和t2后，判断t1和t2的差值，
[0037] 当差值的绝对值小于或等于0.5s时，所述惯性导航仪9进行组合导航处理，得到所述超短基线基元阵8的GPS位置b，并将所述超短基线基元阵8的GPS位置b传送至所述水上综合处理机6进行显示；
[0038] 当差值的绝对值大于0.5s时，结束工作；
[0039] 上述得到的所述超短基线基元阵8的GPS位置b即为水下拖体的最终位置。具体的组合导航处理采用紧密耦合组合导航算法，算法原理图见附图3。紧密耦合组合导航算法步骤如下：
[0040] 一、将超短基线水声定位T0时刻定位结果（x0,y0）作为初值，与惯性导航仪测得的加速度、速度、角速度进行数据融合，经过卡尔曼滤波器后计算输出T0时刻最终定位结果（U0,V0）；
[0041] 二、将（U0,V0）与T1时刻超短基线水声定位的定位结果（x1,y1）进行差值比较，根据差值调节加速度、速度、角速度的匹配因子，经过卡尔曼滤波器后计算输出T1时刻最终定位结果（U1,V1）；
[0042] 三、以此类推，将（Un-1,Vn-1）与Tn时刻超短基线水声定位的定位结果（xn,yn）进行差值比较，根据差值调节加速度、速度、角速度的匹配因子，经过卡尔曼滤波器后计算输出Tn时刻最终定位结果（Un,Vn）。
[0043] 以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
