一种无人潜航器惯性导航方法、装置、设备、介质及产品与流程

本发明属于惯性导航，具体涉及一种无人潜航器惯性导航方法、装置、设备、介质及产品。

背景技术：

1、惯性导航系统具有高度的自主性、隐蔽性以及信息完备等特点，目前广泛应用于军事、工程、科学研究以及民用领域中。在惯导解算过程中，通常采用理论重力模型计算理论重力并从比力测量值中对其进行补偿，但理论重力与实际重力并不相等，该差异即为重力扰动, 其导致的补偿残差会造成惯导解算误差。多数地区重力扰动的大小在15-80mgal之间，是高精度惯导系统的主要误差源之一，对导航精度有较大的影响。

2、目前，重力补偿方法可根据是否已知载体运动区域的重力网格数据而分为两大类。在已知区域重力网格数据库时，通过对该数据库进行插值获取当前位置的重力扰动矢量并对其进行补偿。这种方法在局部区域内的补偿精度较高，且具有较好的实时性，但无法在该数据库未覆盖的区域适用。在工程中高精度的重力扰动测量数据往往较难获取，因此这种补偿方法的应用区域受限。而在缺乏区域重力网格数据库时，主要采用基于重力场模型的补偿方法，即通常是利用egm-2008球谐模型计算重力扰动并进行补偿。这种方法适用于全球任意位置的重力扰动补偿，但其计算结果无法反映地球重力场的细节信息，因此导致该方法在山地和水下等重力扰动变化较为显著区域的补偿精度较低，以高原湖泊水下为例，其计算误差的标准差达到20.74mgal，难以满足高精度的补偿需求。此外，高阶球谐模型的计算负担较大，模型参数占用存储空间大，计算耗时长不适用于传统导航系统的硬件配置环境，并且难以满足惯导系统解算实时性的要求。

3、无人潜航器（英文名unmanned underwater vehicle）是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统，因此无人潜航器也被称为“潜水机器人”或“水下机器人”。由于无人潜航器在水下潜航时无法与卫星通信以进行卫星导航，因此大多是采用惯性导航技术予以水下导航。但是由于水下环境复杂，使得重力网格数据难以提前获取，以及重力扰动变化较为显著，使得前述的传统重力补偿方法均无法适用于无人潜航器的水下高精度导航，因此如何提供一种适用于无人潜航器的水下高精度惯性导航方案，是本领域技术人员亟需研究的课题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种无人潜航器惯性导航方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质及计算机程序产品，用以解决传统重力补偿方法均无法适用于无人潜航器的水下高精度导航的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供了一种无人潜航器惯性导航方法，包括：

4、根据由静压式液位传感器实时采集得到的液位值，实时确定无人潜航器的质心潜航深度，其中，所述静压式液位传感器嵌装在所述无人潜航器的顶面上；

5、当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器浮出水面时，根据由卫星定位模块实时测量得到的定位结果，实时确定所述无人潜航器的质心所处位置，并根据所述质心所处位置、由加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的比力和由陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时逆推得到在所述质心所处位置的重力加速度，其中，所述卫星定位模块、所述加速度计和所述陀螺仪分别固装在所述无人潜航器上；

6、当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器浮出水面时，还根据所述质心所处位置的重力加速度和由多个相对重力仪实时采集得到的且与所述多个相对重力仪一一对应的多个相对重力差，实时确定多个实测点的所处位置的重力加速度，并根据所述多个实测点的所处位置的重力加速度实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况，其中，所述多个相对重力仪分别固装在所述无人潜航器上，所述多个实测点与所述多个相对重力差一一对应并位于所述无人潜航器上，所述相对重力差是指对应实测点的所处位置的重力加速度与所述质心所处位置的重力加速度的相差结果；

7、当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，根据所述无人潜航器的最近确定质心所处位置、在所述无人潜航器入水前确定的质心所处位置和当前确定质心潜航深度，基于理论重力加速度计算公式，实时计算得到理论重力加速度，以及还根据最近反演所得重力加速度三维分布估计情况，实时确定在所述最近确定质心所处位置的重力加速度，并将在所述最近确定质心所处位置的重力加速度和所述理论重力加速度的平均结果实时作为当前重力补偿用加速度；

8、当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，还根据所述当前重力补偿用加速度、由所述加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的当前比力和由所述陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的当前角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时确定所述无人潜航器的当前质心所处位置；

9、当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，还将所述当前重力补偿用加速度作为所述当前质心所处位置的重力加速度，然后再结合由所述多个相对重力仪实时采集得到的且与所述多个相对重力仪一一对应的多个相对重力差，实时确定所述多个实测点的当前所处位置的重力加速度，并根据所述多个实测点的当前所处位置的重力加速度实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的当前重力加速度三维分布估计情况。

10、基于上述技术实现要素：，提供了一种适用于无人潜航器的水下惯性导航新方案，即先根据由静压式液位传感器实时采集得到的液位值，实时确定无人潜航器的质心潜航深度，然后在质心潜航深度反映无人潜航器浮出水面时，基于卫星定位结果、比力测量结果和角速度测量结果，逆推得到质心所处位置的重力加速度，并结合由多个相对重力仪测量得到的相对重力差，反演得到在无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况，最后在质心潜航深度反映无人潜航器潜入水中时，一方面将根据最近反演所得重力加速度三维分布估计情况实时确定的且在最近确定质心所处位置的重力加速度和理论重力加速度的平均结果实时作为当前重力补偿用加速度，并结合当前比力和当前角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时确定所述无人潜航器的当前质心所处位置，另一方面基于当前重力补偿用加速度和由多个相对重力仪测量得到的相对重力差，实时反演得到在无人潜航器的周围空间内的当前重力加速度三维分布估计情况，如此通过融合传统两种重力补偿方案，可以动态更新载体运动区域的重力加速度三维分布估计情况，并用于后续的捷联惯性导航技术中，进而可有效提高无人潜航器的水下导航精度，利于无人潜航器的水下作业，便于实际应用和推广。

11、在一个可能的设计中，根据所述多个实测点的所处位置的重力加速度实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况，包括：

12、根据所述多个实测点的所处位置的重力加速度，基于克里金插值法实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况。

13、在一个可能的设计中，根据所述质心所处位置、由加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的比力和由陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时逆推得到在所述质心所处位置的重力加速度，包括：

14、基于捷联惯导系统的工作原理，构建如下的捷联惯导函数：

15、

16、式中，表示捷联惯导定位结果，表示在捷联惯导系统中载体相对惯性空间的比力，表示在捷联惯导系统中载体相对惯性空间的角速度，表示重力补偿用加速度，表示捷联惯导函数；

17、将所述质心所处位置、由加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的比力和由陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的角速度导入所述捷联惯导函数，建立用于求解重力补偿用加速度的方程；

18、对所述方程进行求解，并将求解结果作为在所述质心所处位置的重力加速度。

19、在一个可能的设计中，根据所述无人潜航器的最近确定质心所处位置、在所述无人潜航器入水前确定的质心所处位置和当前确定质心潜航深度，基于理论重力加速度计算公式，实时计算得到理论重力加速度，包括：

20、从所述无人潜航器的最近确定质心所处位置中提取得到最近确定质心所处地理纬度，以及从在所述无人潜航器入水前确定的质心所处位置中提取得到入水前质心所处海拔高度；

21、根据所述最近确定质心所处地理纬度、所述入水前质心所处海拔高度和当前确定质心潜航深度，按照如下理论重力加速度计算公式实时计算得到理论重力加速度：

22、

23、式中，表示所述当前确定质心潜航深度。

24、在一个可能的设计中，所述多个实测点不位于同一直线上且包括有位于艏部的实测点、位于艉部的实测点和/或位于中部壳体上的实测点。

25、在一个可能的设计中，在基于捷联惯导系统的工作原理实时确定所述无人潜航器的当前质心所处位置之后，所述方法还包括：

26、从所述当前质心所处位置中提取出当前质心所处地理经度、当前质心所处地理纬度和当前质心所处海拔高度；

27、从在所述无人潜航器入水前确定的质心所处位置中提取得到入水前质心所处海拔高度；

28、根据所述入水前质心所处海拔高度和当前确定质心潜航深度，按照如下公式更新所述当前质心所处地理经度、所述当前质心所处地理纬度和所述当前质心所处海拔高度以得到新的当前质心所处位置：

29、

30、式中，表示更新后的所述当前质心所处地理经度，表示更新后的所述当前质心所处地理纬度，表示更新后的所述当前质心所处海拔高度，表示更新前的所述当前质心所处地理经度，表示更新前的所述当前质心所处地理纬度，表示更新前的所述当前质心所处海拔高度，表示从地球中心到平均海平面的已知距离，表示所述当前确定质心潜航深度。

31、第二方面，提供了一种无人潜航器惯性导航装置，包括有潜航深度确定单元、重力加速度逆推单元、三维分布估计单元、补偿数据确定单元和惯性导航定位单元；

32、所述潜航深度确定单元，用于根据由静压式液位传感器实时采集得到的液位值，实时确定无人潜航器的质心潜航深度，其中，所述静压式液位传感器嵌装在所述无人潜航器的顶面上；

33、所述重力加速度逆推单元，通信连接所述潜航深度确定单元，用于当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器浮出水面时，根据由卫星定位模块实时测量得到的定位结果，实时确定所述无人潜航器的质心所处位置，并根据所述质心所处位置、由加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的比力和由陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时逆推得到在所述质心所处位置的重力加速度，其中，所述卫星定位模块、所述加速度计和所述陀螺仪分别固装在所述无人潜航器上；

34、所述三维分布估计单元，通信连接所述重力加速度逆推单元，用于当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器浮出水面时，还根据所述质心所处位置的重力加速度和由多个相对重力仪实时采集得到的且与所述多个相对重力仪一一对应的多个相对重力差，实时确定多个实测点的所处位置的重力加速度，并根据所述多个实测点的所处位置的重力加速度实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况，其中，所述多个相对重力仪分别固装在所述无人潜航器上，所述多个实测点与所述多个相对重力差一一对应并位于所述无人潜航器上，所述相对重力差是指对应实测点的所处位置的重力加速度与所述质心所处位置的重力加速度的相差结果；

35、所述补偿数据确定单元，分别通信连接所述潜航深度确定单元、所述重力加速度逆推单元、所述三维分布估计单元和所述惯性导航定位单元，用于当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，根据所述无人潜航器的最近确定质心所处位置、在所述无人潜航器入水前确定的质心所处位置和当前确定质心潜航深度，基于理论重力加速度计算公式，实时计算得到理论重力加速度，以及还根据最近反演所得重力加速度三维分布估计情况，实时确定在所述最近确定质心所处位置的重力加速度，并将在所述最近确定质心所处位置的重力加速度和所述理论重力加速度的平均结果实时作为当前重力补偿用加速度；

36、所述惯性导航定位单元，用于当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，还根据所述当前重力补偿用加速度、由所述加速度计实时测量得到的且所述无人潜航器相对惯性空间的当前比力和由所述陀螺仪实时测量得到的且所述无人潜航器相对所述惯性空间的当前角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时确定所述无人潜航器的当前质心所处位置；

37、所述三维分布估计单元，还用于当所述质心潜航深度反映所述无人潜航器潜入水中时，还将所述当前重力补偿用加速度作为所述当前质心所处位置的重力加速度，然后再结合由所述多个相对重力仪实时采集得到的且与所述多个相对重力仪一一对应的多个相对重力差，实时确定所述多个实测点的当前所处位置的重力加速度，并根据所述多个实测点的当前所处位置的重力加速度实时反演得到在所述无人潜航器的周围空间内的当前重力加速度三维分布估计情况。

38、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的无人潜航器惯性导航方法。

39、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的无人潜航器惯性导航方法。

40、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或所述指令在被计算机执行时实现如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的无人潜航器惯性导航方法。

41、上述方案的有益效果：

42、（1）本发明创造性提供了一种适用于无人潜航器的水下惯性导航新方案，即先根据由静压式液位传感器实时采集得到的液位值，实时确定无人潜航器的质心潜航深度，然后在质心潜航深度反映无人潜航器浮出水面时，基于卫星定位结果、比力测量结果和角速度测量结果，逆推得到质心所处位置的重力加速度，并结合由多个相对重力仪测量得到的相对重力差，反演得到在无人潜航器的周围空间内的重力加速度三维分布估计情况，最后在质心潜航深度反映无人潜航器潜入水中时，一方面将根据最近反演所得重力加速度三维分布估计情况实时确定的且在最近确定质心所处位置的重力加速度和理论重力加速度的平均结果实时作为当前重力补偿用加速度，并结合当前比力和当前角速度，基于捷联惯导系统的工作原理实时确定所述无人潜航器的当前质心所处位置，另一方面基于当前重力补偿用加速度和由多个相对重力仪测量得到的相对重力差，实时反演得到在无人潜航器的周围空间内的当前重力加速度三维分布估计情况，如此通过融合传统两种重力补偿方案，可以动态更新载体运动区域的重力加速度三维分布估计情况，并用于后续的捷联惯性导航技术中，进而可有效提高无人潜航器的水下导航精度，利于无人潜航器的水下作业，便于实际应用和推广。