基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水下航行器的水下导航应用技术领域，具体为一种基于声学多普勒计 程仪的水下地形匹配导航系统。
【背景技术】
[0002] 自主水下航行器是世界各国大力发展的海洋运载器，在海洋保护、海洋资源开发 等领域具有极大的应用价值，如水下捜索、海底绘图、海底监控、管道铺设、海底作业等。导 航问题是水下航行器应用所面临的主要技术挑战之一，导航能力是水下航行器有效工作与 安全回收的重要要求，水下航行器导航方法的研究一直是国内外的研究热点。
[0003] 由于水下环境的局限，目前水下航行器导航的主要方法是航位推算、INS(惯性导 航系统）、水下声学计程仪导航等。而W上的种种导航手段在没有修正信息的情况下，误差 会随着航行时间或航行距离的增加而积累或发散，难W满足长时间导航定位的要求。并且 传统的声学多普勒计程仪也有诸多限制，如只有一种工作方式、发射波束少、测点少、不够 精确、效率低等。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高精度、高效率的基于声学多普勒 计程仪的水下地形匹配导航系统。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0006] 一、多波束综合多普勒计程仪，包括：
[0007] 声学基阵、GI^S模块、INS模块、声速剖面仪、处理系统、多路收发转换模块和多通 道相控功率放大装置，声学基阵、多路收发转换模块、多通道相控功率放大装置、处理系统 依次相连，另外，处理系统还与GI^S模块、INS模块、声速剖面仪相连；
[0008] 其中，声学基阵是由484个第一压电基元和484个第二压电基元间隔排列而成的 圆形平面基阵，第一压电基元和第二压电基元规格相同；圆形平面基阵排列成32行32列， 各行和各列的压电基元数均为偶数，相邻压电基元中屯、间距为发射波波长的一半；分别将 声学基阵各行的第一压电基元的独立抽头并联，获得X方向的32个子阵；分别将声学基阵 各列的第二压电基元的独立抽头并联，获得Y方向的32个子阵。
[0009] 上述第一压电基元和第二压电基元均为正方形。
[0010] 上述多路收发转换单元包括64路发射机和64路接收机，各路发射机分别驱动各 子阵，各路接收机分别接收各子阵接收的回波信号。
[0011] 二、基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统，包括：
[0012] 多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、数据采集模块和海底地 形匹配模块，多波束综合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经、海底地形匹配模块 均与数据采集模块相连；其中：
[0013]多波束综合多普勒计程仪用来获得多测点的水深数据W及水下航行器的纵向速 度和横向速度；差分全球定位系统用来获得水下航行器的经缔度信息和航向信息；平台罗 经用来获得水下航行器在航行状态下的姿态信息；数据采集模块用来采集和存储多波束综 合多普勒计程仪、差分全球定位系统、平台罗经获得的数据；海底地形匹配模块用来基于数 据采集模块采集的数据进行海底地形匹配。
[0014] 和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：
[0015] 本发明对传统声学多普勒计程仪进行改造，设计出多波束综合多普勒计程仪，多 波束综合多普勒计程仪不影响水下航行器本身的湿端结构，也不会影响水下航行器本身的 结构强度。传统声学多普勒计程仪只能发射四波束，而多波束综合计程仪声响可发射多波 束，同时还具有测速和测深的功能。
[0016] 本发明多波束综合多普勒计程仪具有更多测点、全覆盖、高精度的优点，能更准确 全面地反映水下地形的起伏变化情况。将多波束综合多普勒计程仪与海底地形匹配模块结 合，形成本发明基于声学多普勒计程仪的水下地形匹配导航系统。相比于传统的水下地形 导航系统，本发明不受时间限制，在长时间航行过程中也可保证实时导航信息的精确性。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明水下地形匹配导航系统的结构示意图；
[0018] 图2是海底地形匹配模块的工作流程图；
[0019] 图3是声学多普勒计程仪测深工作原理示意图；
[0020] 图4是本发明多波束综合多普勒计程仪的具体结构示意图；
[0021] 图5是本发明声学基阵的具体结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图和【具体实施方式】，对本发明做进一步详细描述。
[0023] 见图1，本发明水下地形匹配导航系统主要包括多波束综合多普勒计程仪、DGPS 定位系统（差分全球定位系统）、平台罗经、数据采集模块和海底地形匹配模块。多波束综 合多普勒计程仪作为本系统的传感器，用来测量多测点的水深数据W及水下航行器的纵向 速度和横向速度，在传统声学多普勒计程仪的基础上形成多波束测深和测速的分时测量。 DGI^S定位系统用来提供水下航行器的高精度经缔度信息，并提供水下航行器的航向信息用 于操船。平台罗经用于提供航行状态下水下航行器的姿态信息，例如船的纵摇、横摇及航向 等。数据采集模块用于采集和存储多波束综合多普勒计程仪、DGI^S定位系统和平台罗经获 得的数据。海底地形匹配模块用来根据数据采集模块采集的数据，构建地形基准数据库，并 进行地形匹配。
[0024] 见图2,本发明海底地形匹配模块的工作流程为：
[00巧]1)获取实时海底地形数据：
[00%] 采用海底地形传感器采集海底地形数据。本发明中海底地形传感器即多波束综合 多普勒计程仪，采用多波束综合多普勒计程仪实测海底地形数据。仿真系统中，需要对海底 地形传感器进行误差建模，并在基准数据中截取并添加噪声，作为仿真的实时数据。
[0027] 2)实时海底地形数据预处理：
[0028] 数字海底地形基准数据是按照一定规格分布的数字信息，如将地球基准面均匀划 分为网格，存胆网格内海底地形深度信息的平均值。由于海底地形传感器获取的是不规则 分布的数字信息，当水下航行器水平方向的姿态角不为零时，需要进行坐标变换来获得水 下航行器正下方的实时数据，运是进行地形匹配的前提。
[0029]另外，声波虽然能在海洋中远距离传播，但在传播的过程中，海洋潮软、波浪、满流 及海水的溫度分布和盐度分布、海面、海中包含的各种不均匀体如气泡和生物等，都能产生 很大的影响，使得利用声波测量出的数据存在着较大误差，数据预处理时，要考虑到运些方 面的因素，并进行建模和补偿。由于INS(惯性导航系统）可提供高精度的导航信息，因此 可根据INS输出的位置、速度、姿态等信息对实时数据进行预处理，从而产生可用于地形匹 配的实时海底地形数据。
[0030] 3)实时海底地形数据的可匹配性判别：
[0031] 按事先设计的性能指标（如匹配概率、匹配速度等要求）对预处理后的实时海底 地形数据进行可匹配性判别，只有实时海底地形数据满足设计的性能指标要求时，才进行 地形匹配，否则不进行地形匹配而直接转入导航信息融合处理。
[0032] 4)结合海底地形数据库进行地形匹配：
[0033] 海底地形数据库用于存储海底数字地形基准图，该海底数字地形基准图采用二维 平面坐标，采用WGS-84大地坐标系。目前，海底数字地形基准图较常用包括采 用船载声纳、声纳阵列、侧扫声纳、多波束声纳、机载激光测距系统等，并辅WGI^S进行直接 测量得到海底地形的原始数据。经后期数据处理，得到用于地形辅助导航的数字海图。目 前后期处理的主要步骤包括：将原始地形栅格化，各网格记录下对应地形的"代表高程"，通 常"代表高程"取为网格的平均高程。网格距离的大小与所需定位精度和存储量有关，一般 网格距离可取50-100m，同时网格取为正方形。
[0034] 数字地图的存储通常采用网格形式直接存储，也有W压缩方式进行存储W节省存 储空间。但是W目前微电子发展趋势来看，存储容量问题可W不用考虑。另外的一个问题就 是读取，按当前计算机运算能力和读写速度，对水下航行器而言，已可基本满足数据10要 求。
[0035] 将预处理后的实时海底地形数据与海底数字地形基准图进行匹配，并输出匹配信 息。
[0036] 5)性能评估：
[0037] 在各地形匹配导航时刻点，将采集的海底地形数据与海底数字地形基准图进行匹 配，匹配信息是否可用W及匹配信息在最终信息融合中所占的信息权重，需要进行评价，W 确定该匹配信息的可用程度，剔除不可用的匹配信息，最终对有效的海底地形匹配信息进 行数据融合。 阳03引 6)智能信息融合：
[0039] 将有效的海底地形匹配信息和INS输出信息进行智能融合，从而获得导航参数信 息，并可对INS进行校正。
[0040] 见图3,声学多普勒计程仪的测深工作原理如下：
[0041] 声学多普勒计程仪是基于多普勒效应实现海底测深。若从航行中的水下航行器斜 向海底发射声波，并接收海底的反射信号，则接收信号频率f。。与发射信号频率f。的差值fd 取决于水下航行器速度：
[0042]fd=fnp-f (1)
[0043]目前，声学多普勒计程仪采用双波束基阵，波束对称配置在垂线两侧，从而单波束 时多普勒频率与速度的非线性关系被消除。此时多普勒频移爲由船腊和船尾接收的基阵波