基于INS/NSAP组合导航潜艇水下定位研究

张源 李保平 杨裕浩 王斌

【摘 要】研究基于非同步水声定位系统（NSAPS）和惯性导航系统（INS）的潜艇水下定位误差修正方法。在建立NSAPS模型和INS模型的基础上，先后设计了INS/NSAPS卡尔曼滤波方法，分析仿真结果表明，INS/NSAPS滤波器将显著提高系统的精度。

【关键词】组合导航系统；惯性导航系统（INS）；非同步水声定位系统（NSAPS）

【中图分类号】U666.12 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0075-02

0 引言

潜艇的高精度导航定位能力影响到潜艇的整体战术技术水平[1]，其导航系统具有保证潜艇水下安全航行，向武器子系统提供潜艇相应的运动参数，初始化导弹的位置、速度和姿态，使导弹子系统正确竖立和对准等作用。所以潜艇的高精度定位关系到潜艇的生命力、航行控制能力、武器投放精度等性能，始终是航海导航领域研究的关键问题。

潜艇高精度导航功能的实现主要依赖组合导航系统完成，常规潜艇主要装备平台罗经系统、中等精度的电控罗经和计程仪等设备，水下定位精度不高，可供利用的信息源较少[2]。战略核潜艇则配备高精度惯性导航系统。以往常规潜艇多采取推算方法进行舰艇定位的修正误差。若采用相对型计程仪，其速度测量精度为0.1knot，海流速度为2knot，方向同潜艇运动方向；罗经指向误差为0.10，潜艇航速20knot，采取罗经和计程仪进行1小时的推算舰位误差将在2海里左右。相对于推算定位，核潜艇装备的惯性导航系统（INS）则具备更高的定位精度。INS不需要任何外来信息也不向外辐射任何信息，可在任何介质和任何环境下实现导航，能输出载体需要的位置、速度、方位和姿态等多种导航参数，精度不受海流影响；系统的频带宽，能跟踪运载体的任何机动运动；导航输出数据平稳，短期稳定性好；但惯性导航系统的误差随时间积累，长期稳定性差。所以需要研究在水下环境建立新的导航定位手段，以实现对INS误差的修正。

水声定位系统是通过水声定位技术精确、实时、远距离测量水下载体的方位、距离和航行轨迹的系统，可在特定区域实现较高的位置和速度测量精度。本文研究采用“非同步式”水声定位系统（NSAPS）修正惯性导航系统误差的问题。首先介绍NSAPS系统原理，建立了NSAPS模型和INS模型，建立了基于卡尔曼滤波的INS/NSAPS组合定位算法，并进行了充分的仿真，仿真比较分析表明，引入NSAPS修正信息后，可显著提高潜艇水下定位精度。

1 NSAPS系统原理

水声定位系统是通过水声定位技术精确、实时、远距离测量水下载体的方位、距离和航行轨迹的系统。按照水声基阵布放位置，通常在预定海域的海底布放多个声应答器，组成应答器阵。在载体上安装询问声源发射系统和应答接收系统。海底应答器在收到询问脉冲后发出具有不同频率的应答脉冲，根据各脉冲到达舰船的传播时间，测得船与各应答器距离，从而确定船位[3]。系统还可以依托岛屿和海岸建立固定化的海底基阵，采用多个基阵接力的方式进行远程测量。

当声源时钟与测量系统时钟不同步，存在时钟偏差时，在定位模型中引入时钟偏差△t，选用（1）式所示的非同步定位模型，联立多个基元测量方程可以计算出载体方位和距离[4]。由于到两个阵元的距离差为定值，对应的二次方程确定一个双曲面，非同步定位模型也常被写为“双曲面交汇模型”。

（）（）（）

vτ分别在100s～200s区间内选取，NSAPSV为均值为零，方差为NSAPSR的白噪声。NSAPSW与NSAPSV互不相关[5]。根据系统指标，定位精度为5m（CEP），速度精度0.1m/s。NSAPS系统位置仿真曲线如图1，2所示。

2.2 INS系统模型

记系统状态变量XINS=[δL δλ δve δvn φe φn φu Ae An εe εn εu]T，分别为惯导系统输出的纬度误差、经度误差、东向速度误差、北向速度误差、平台的东向失准角、北向失准角、方位失准角，东向和北向加速度计零偏和东、北和方位陀螺仪漂移。惯导系统取半解析式当地水平指北GINS，东北天坐标系，误差状态方程[5]如下：

参考文献

[1]朱海，莫军.水下导航信息融合技术[M] .北京：国防工业出版社，2002.

[2]朱海，莫军.水下导航信息融合技术[M] .北京：国防工业出版社，2002.

[3]张红梅，赵建虎，，杨鲲，田春和.水下导航定位技术[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[4]陈晓中，梁国龙，王逸林，赵羽.非同步水声定位技术及其性能评价[J].声学学报，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]王学斌，徐建宏，张章.卡尔曼滤波器参数分析与应用方法研究[J].