基于INS/NSAP組合導航潛艇水下定位研究

張源 李保平 楊裕浩 王斌

【摘 要】研究基于非同步水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）的潛艇水下定位誤差修正方法。在建立NSAPS模型和INS模型的基礎(chǔ)上，先后設(shè)計了INS/NSAPS卡爾曼濾波方法，分析仿真結(jié)果表明，INS/NSAPS濾波器將顯著提高系統(tǒng)的精度。

【關(guān)鍵詞】組合導航系統(tǒng)；慣性導航系統(tǒng)（INS）；非同步水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）

【中圖分類號】U666.12 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0075-02

0 引言

潛艇的高精度導航定位能力影響到潛艇的整體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平[1]，其導航系統(tǒng)具有保證潛艇水下安全航行，向武器子系統(tǒng)提供潛艇相應(yīng)的運動參數(shù)，初始化導彈的位置、速度和姿態(tài)，使導彈子系統(tǒng)正確豎立和對準等作用。所以潛艇的高精度定位關(guān)系到潛艇的生命力、航行控制能力、武器投放精度等性能，始終是航海導航領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。

潛艇高精度導航功能的實現(xiàn)主要依賴組合導航系統(tǒng)完成，常規(guī)潛艇主要裝備平臺羅經(jīng)系統(tǒng)、中等精度的電控羅經(jīng)和計程儀等設(shè)備，水下定位精度不高，可供利用的信息源較少[2]。戰(zhàn)略核潛艇則配備高精度慣性導航系統(tǒng)。以往常規(guī)潛艇多采取推算方法進行艦艇定位的修正誤差。若采用相對型計程儀，其速度測量精度為0.1knot，海流速度為2knot，方向同潛艇運動方向；羅經(jīng)指向誤差為0.10，潛艇航速20knot，采取羅經(jīng)和計程儀進行1小時的推算艦位誤差將在2海里左右。相對于推算定位，核潛艇裝備的慣性導航系統(tǒng)（INS）則具備更高的定位精度。INS不需要任何外來信息也不向外輻射任何信息，可在任何介質(zhì)和任何環(huán)境下實現(xiàn)導航，能輸出載體需要的位置、速度、方位和姿態(tài)等多種導航參數(shù)，精度不受海流影響；系統(tǒng)的頻帶寬，能跟蹤運載體的任何機動運動；導航輸出數(shù)據(jù)平穩(wěn)，短期穩(wěn)定性好；但慣性導航系統(tǒng)的誤差隨時間積累，長期穩(wěn)定性差。所以需要研究在水下環(huán)境建立新的導航定位手段，以實現(xiàn)對INS誤差的修正。

水聲定位系統(tǒng)是通過水聲定位技術(shù)精確、實時、遠距離測量水下載體的方位、距離和航行軌跡的系統(tǒng)，可在特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)較高的位置和速度測量精度。本文研究采用“非同步式”水聲定位系統(tǒng)（NSAPS）修正慣性導航系統(tǒng)誤差的問題。首先介紹NSAPS系統(tǒng)原理，建立了NSAPS模型和INS模型，建立了基于卡爾曼濾波的INS/NSAPS組合定位算法，并進行了充分的仿真，仿真比較分析表明，引入NSAPS修正信息后，可顯著提高潛艇水下定位精度。

1 NSAPS系統(tǒng)原理

水聲定位系統(tǒng)是通過水聲定位技術(shù)精確、實時、遠距離測量水下載體的方位、距離和航行軌跡的系統(tǒng)。按照水聲基陣布放位置，通常在預(yù)定海域的海底布放多個聲應(yīng)答器，組成應(yīng)答器陣。在載體上安裝詢問聲源發(fā)射系統(tǒng)和應(yīng)答接收系統(tǒng)。海底應(yīng)答器在收到詢問脈沖后發(fā)出具有不同頻率的應(yīng)答脈沖，根據(jù)各脈沖到達艦船的傳播時間，測得船與各應(yīng)答器距離，從而確定船位[3]。系統(tǒng)還可以依托島嶼和海岸建立固定化的海底基陣，采用多個基陣接力的方式進行遠程測量。

當聲源時鐘與測量系統(tǒng)時鐘不同步，存在時鐘偏差時，在定位模型中引入時鐘偏差△t，選用（1）式所示的非同步定位模型，聯(lián)立多個基元測量方程可以計算出載體方位和距離[4]。由于到兩個陣元的距離差為定值，對應(yīng)的二次方程確定一個雙曲面，非同步定位模型也常被寫為“雙曲面交匯模型”。

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vτ分別在100s～200s區(qū)間內(nèi)選取，NSAPSV為均值為零，方差為NSAPSR的白噪聲。NSAPSW與NSAPSV互不相關(guān)[5]。根據(jù)系統(tǒng)指標，定位精度為5m（CEP），速度精度0.1m/s。NSAPS系統(tǒng)位置仿真曲線如圖1，2所示。

2.2 INS系統(tǒng)模型

記系統(tǒng)狀態(tài)變量XINS=[δL δλ δve δvn φe φn φu Ae An εe εn εu]T，分別為慣導系統(tǒng)輸出的緯度誤差、經(jīng)度誤差、東向速度誤差、北向速度誤差、平臺的東向失準角、北向失準角、方位失準角，東向和北向加速度計零偏和東、北和方位陀螺儀漂移。慣導系統(tǒng)取半解析式當?shù)厮街副盙INS，東北天坐標系，誤差狀態(tài)方程[5]如下：

參考文獻

[1]朱海，莫軍.水下導航信息融合技術(shù)[M] .北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[2]朱海，莫軍.水下導航信息融合技術(shù)[M] .北京：國防工業(yè)出版社，2002.

[3]張紅梅，趙建虎，，楊鯤，田春和.水下導航定位技術(shù)[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

[4]陳曉中，梁國龍，王逸林，趙羽.非同步水聲定位技術(shù)及其性能評價[J].聲學學報，2003，28（4）：353-362.

[5]Millan J C.A GPS attitude error model for kalman filtering[A] . Proceeding of the Position Location and Navigation Symposium[C] . Las Vegas，1994（4）.

[6]王學斌，徐建宏，張章.卡爾曼濾波器參數(shù)分析與應(yīng)用方法研究[J].