海底地形辅助导航全面仿真技术研究

QL 2 ( Zvv v2 + ZDb u2 Db + ZDs u2 Ds ) /2 -
( p - B ) co s< cosH,
( 3)
第 1期
徐遵义, 等: 海底地形辅助导航全面仿真技术研究
# 125#
Ixx p# = QL5 (K#p#p + K#r#r) /2 + QL4 (Kp up + K r ur) /2 +
收稿日期: 2006- 03- 13 基金项目: 国家安全重大基础研究项目 ( 513060301) 作者简介: 徐遵义 ( 1969- ), 男, 博士研究生, 主要研究方向为计算机仿真与信息技术。
# 124#
舰船科学技术
第 29卷
为了研究 STAN, 作者开发了一套基于局域网系统的 纯软件仿真系统。到目前为止, 还没有发现完全采用 真实海底地形数据和真实的设备参数 ( UV, INS和测 深测潜仪 )建立的仿真系统或类似系统 [ 1- 4] 。
曲率半径, 由下式确定:
RN = Re ( 1 + f sin2L ),
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RM = R e ( 1 - 2f + 3f sin2 L )。
式中, 扁率 1/f = 298. 257; 长轴半径 Re = 6 378 137 m。
2. 2 捷联式惯性导航系统 ( INS)
水下运载体仿真的输出作为 INS仿真的输入, 通 过计算机解算 INS 微分方程, 仿真 INS的姿态矩阵、 速度和位置信息 [ 6- 7] 。导航坐标系采用地理坐标系
图 1 仿真平台逻辑框图 F ig. 1 S imu lation p latform log ic block d iagram
图 2 仿真平台物理结构图 F ig. 2 S im ulation platfo rm phys ica l structure block d iagram
2 系统仿真建模
Abstract: In this paper, the pure so ftw are sim u lation for the seabed terra in aided nav igat ion system ( STAN ) is presented. T he authors em phases is to study on the system arch itecture and m ain sim u lation object based on the system requ irem en,t to construct the m athem atic m odel for each sim u lation ob jec,t such as the underw ater vehic le, strap-down inertia l navigation system, echo sounder, c ircu lar error probab ility, electron ic chart and track p lanning. T he sim ulat ion m odels for them are rea lized by using the VC ++ language and the severa lm atch ing a lgorithm s runs on i.t A ll result show s that the design is accurate, the m a intenance and expansib ility is easy. So, the principle and function of the STAN has been validated, the theoret ical principle for STAN eng ineering deve lopm ent and practicability is prov ided in a w ay.
Yv| v| v v2 + X2 /2 + QL2 ( YvX v X + YDr u2 Dr ) / 2 - (p - B ) sin< cosH, ( 2)
m ( X# - uq ) = QL 4Z#q#q /2 + QL3 (Z#XX# + Zq uq ) /2 +
QL 2 ( Z0 u2 + Z XXu + Z| X| u | X | ) /2 +
长时间使用时导航精度下降, 必须定期利用外部信息 对其进行校准, 即辅助导航。由于受到安全性、隐蔽 性和仪器精度的限制, 对于 UV 采用海底地形辅助导 航 ( Seabed T errain A ided Nav igation, STAN )成为目前 比较可行和较为成熟的技术。
在研究 STAN 的过程中, 利用计算机技术进行全 数字仿真是最重要 的手段之一, 对检 验方案的可行 性、正确性及优化系统参数将起着非常重要的作用。
关键词: 水下导航; 惯性导航; CEP; 综合仿真
中图分类号: TP391. 9
文献标识码: A
Study on comp reh en sive sim u lation technology for seabed terrain-aided navigation
XU Zun-y i1, 2, YAN L ei2, L IU G uang- jun3, DENG W ei2 ( 1. China Un iversity o fM in ing & T echno logy ( B eijing ), Beijing 100083, China; 2. Be ijing Key L ab o f Spatial Inform ation In tegrat ion and Its App lications, Pek ing U niversity, Be ijing 100871, China; 3. Navy E qu ipm ent Institute, Be ijing 100073, Ch ina)
L0,
Q K( t) =
t VE ( t) dt + 0 RN
K0,
( 7)
Qt
d ( t) = ( - usinH+ v cosHsin< + w cosHcos< ) dt + d0。 0
式中, H为纵倾角; < 为横倾角; RM 为参考椭球 子午
面内的曲率半径; RN 为垂直子午面的法线平面 内的
性导航系统、测深测潜仪、导航精度分析与 评价以及电子海图与航迹规划 等进行了综 合研究, 分别建 立了相应的 系统
模型和数学模型并用 VC ++ 语言进行了实现。经过多种海底地形匹配 算法的运行检验, 系统设计合理, 易于扩展和维
护, 实现了对 STAN 系统的原理和 功能验证, 为 STAN 系统工程化、实用化提供了一定的理论依据 。
( 5)
Izz#r = QL5 (N#r#r + N#p#p ) /2 + QL4 (N #v #v + N p up + N rur ) /2 +
QL3 (N 0 u2 + N v uv + N v XvX + N Dr u2Dr ) /2。
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式中, u, v, w 分别为纵向速度、横向速度和垂向速度;
1 系统体系结构
海底地形辅助导航系统是借鉴图像处理、飞机和 导弹地形辅助导航的基本原理和方法, 结合水下地形 特征的特点 ( 实时测量数据难以精确获取、UV 的运 动速度较慢等 )而开发的、应用于水下辅助导航的新 型导航系统, 其核心技术是水下地形数据库的建立、 高精度的测深测潜仪以及准确、快速的匹配算法 [ 2] 。 为进行系统综合仿真, 必须对系统涉及到的水下运载 体 、测 量 仪器 、IN S、匹配 算 法、导 航 精度 分 析 与 评价 、 网络通讯以及交互界面进行全面研究。系统逻辑框 图如图 1所示。考虑到将来系统的真实使用环境, 本 着仿真系统尽量贴近半实物、实物仿真, 系统仿真平 台物理结构如图 2所示, 系统数据流图如图 3所示。
K ey w ords: underw ater nav igat ion; inertial nav igation; CEP; com prehensive simu lation
0引 言
近年来, 随着海洋测深声呐技术获得重大进展, 高精度的电子海图将逐步取代目前所使用的纸质航 海地图, 这为水下导航定位建立了坚实的数据基础。 目前, 水下运载体 ( Underw ater V eh icle, UV ) 的核 心 导航系统普遍使用惯性导航系统 ( Inert ial Nav igation System, INS), 但由于 INS 的定位误 差随时间积累,
( 1. 中国矿业大学 ( 北京 ) 机电与信息工程学院, 北京 100083; 2. 北京大学空间信息集成与 3S工程 应用北京市重点实验室, 北京 100871; 3. 海军装备研究院, 北京 100073)
摘 要: 介绍了利用纯软件仿真的海底地形辅助导 航系统 ( STAN ), 对系统 体系结构、水下 运载体、捷联 式惯
p, q, r 分别为纵倾角速度、横倾角速度和回转角速度;
H, <, W分别为纵倾角、横倾角和航向角; Db, Dr, Ds为操 舵规律。
水下运载体位置参数经度 K( t )、纬度 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ( t )及深
度 d ( t )的计算, 采用以下公式确定:
Q L ( t) =
t 0
VN ( t) RM
dt +
果进行分析。
水下地形辅助导航系统是典型的采样系统, 仿真 建模时 UV、陀螺仪、加速度计和 INS作为连续时间系 统, 测深测潜仪视为离散时间系统。 2. 1 水下运载体