基于拖曳浮标的潜艇自主导航定位系统设计

向春清 陈永强

(91919部队 黄冈 438000)

基于拖曳浮标的潜艇自主导航定位系统设计

向春清 陈永强

(91919部队 黄冈 438000)

潜艇的导航定位精度与其战术技术性能密切相关,在深水下实现精确的导航定位能够有效提高潜艇的隐蔽作战能力与武器投放命中精度。论文采用高频调制解调技术,提出了一种导航定位系统的设计方法,利用拖曳浮标,使潜艇在水下悬停状态或运动中实现自主导航定位,提高了潜艇的隐蔽战斗能力。

拖曳浮标; 惯性导航; 自主导航

Class Number U675.7

1 引言

由于卫星导航信号穿透海水的能力极差, 潜艇在水下航行时不能使用卫星导航,要使用卫星导航定位需要浮起来,使潜艇被敌方侦测到的概率大大增加,不利于潜艇的航行安全。目前潜艇在水下航行时的主要自主导航装备是惯性导航系统(INS)[1,2],但是这一系统存在初始对准精度及时间上的积累误差,在水下工作的时间越长,导航误差越大[3]。所以寻求其它方式实现潜艇在水下精确自主导航定位一直是国内外研究的重点[4～6]。

本文设计的潜艇导航定位系统利用拖曳浮标[7～9],并根据潜艇姿态进行导航数据修正,可以使潜艇在水下实现GPS/GLONASS/北斗导航系统[10～11]的组合自主定位,与惯性导航系统互为补充,具有较强的实用性。

2 设计思想

本文设计的定位系统工作方式如图1所示:潜艇需要在水下进行隐蔽定位时,可在悬停或航行状态下通过艇内控制传动装置释放拖曳浮标升至海面,同时通过拖曳传输电缆向浮标供直流电,浮标内置的GPS/GLONASS/北斗接收机在海面能够迅速开始工作并输出导航数字信号,经数据组包后由浮标内的数据发送模块将此信号调制、放大后通过拖曳传输电缆下传,艇内的接收机将信号进行滤波、解调、修正等处理后恢复导航信息,定位结束后收回拖曳浮标[12]。

系统的隐蔽性设计主要利用一个小型拖曳浮标实现。浮标整体水密,壳体采用特殊材料制作,外层涂覆海水近似颜色,体积很小且工作时不发射信号,工作时拖曳传输电缆位于水下,可实现潜艇在水下的隐蔽导航定位。

图1 利用拖曳浮标实现水下导航定位的工作原理

3 设计方案

3.1 硬件组成

基于拖曳浮标的水下导航定位系统主要由拖曳浮标、拖曳传输电缆及收放装置、艇内接收机组成,组成框图如图2所示。

图2 水下导航定位系统组成框图

各主要模块的功能及具体设计如下:

1) 拖曳浮标:内置GPS/GLONASS接收模块、北斗接收模块及数据发送模块,与拖曳传输电缆通过万向接头连接。

(1)GPS/GLONASS接收模块:设计中选择卫导(GPS/GLONASS)双系统,利用两个卫星导航系统同时进行卫星定位测量。在模块的选型上,可以选择具备体积小、功耗低、精度高、定位迅速等特点的现有成型OEM板。拖曳浮标释放至水面后,能够迅速定位,输出位置、航向及航速等RS232串行数据信息。

(2)北斗接收模块:北斗系统是我国自行开发研制,具有自主知识产权、自主控制的区域性卫星导航定位系统,具有战略意义,是我国在战时唯一可依赖的导航装备。因此在模块选型时采用我国自主产权的北斗接收模块,在潜艇水下定位时,可与GPS/GLONASS定位互为补充。北斗接收模块同样具有RS232数据输出,可以通过单片机与GPS/GLONASS接收模块输出的数据按照一定的格式进行组包。

(3)数据发送模块:组成框图如图3所示。内置单片机,首先将GPS/GLONASS与北斗接收模块输出的导航数据按照一定格式进行组包,射频调制/倍频/功放部分将组包后的数据调制,通过拖曳传输电缆下传给艇内接收机。由于浮标所用直流电源与导航信号是复用的,必须进行电源分离电路设计。分离电路由电感、电容组成,电容用于隔直,电感用于从拖曳传输电缆中取出直流信号,供浮标内电路使用。

图3 数据发送模块组成框图

2) 拖曳传输电缆:使用同轴传输电缆,由艇内拖曳传输电缆控制器控制收放。不收信时卷绕于潜艇背部的鼓轮上,收信时可在一定的航速下全部释放。完成上行电源信号及下行导航信号的传输。

3) 艇内接收机:主要功能是向拖曳浮标供直流电,将接收到的导航信号解调、还原并显示。

如图4,信号分离电路分离出来的射频信号经滤波、放大后与本振信号进行混频产生中频信号,中频信号经鉴频和整型后以TTL电平形式输出,通过接口转换电路转换为RS-232信号送给单片机处理。单片机将导航数据恢复并修正后通过显示屏显示出来。

3.2 软件设计

系统软件设计组成包括:串行口通信模块、导航信息处理模块、误差修正模块及显示模块,如图5所示。

图4 艇内接收机组成框图

图5 水下定位系统软件组成框图

各软件模块具体功能如下:

1) 串行口通信模块:用于接收来自GPS/GLONASS接收机及北斗接收机的导航数字信号,将这两路信号按照一定的格式组包合并为一路, 采用串行透明传输,不进行格式转换。合并后的数据传至数据发送模块进行处理。

2) 导航信息处理模块:将艇内接收机解调后的导航数据按组包的逆过程还原,重新分为北斗接收机数据及GPS/GLONASS数据。

3) 误差修正模块: 由于接收到定位信息实际上是拖曳浮标的位置信息, 必须进行误差修正才能获得更精确的潜艇定位信息。误差修正模块根据获得的潜艇航向、航速、深度等信息进行计算并修正后,能够进一步提高潜艇的水下定位精度。

4) 显示模块:将最终的导航定位信息在接收机屏幕上显示出来。

4 结语

本文提出了一种新型的水下自主导航定位系统的设计思路,并分析了系统组成及软件架构,能够与惯导系统互为补充。

[1] 李荣冰,刘建业,曾庆化.基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状[J].中国惯性技术学报,2004,12(6):88-94.

[2] 秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,2014.

[3] 高钟毓.惯性导航系统技术[M].北京:清华大学出版社,2012.

[4] 李鹤峰,党亚民,秘金钟.BDS与GPS、GLONASS多模融合导航定位时空统一[J].大地测量与地球动力学,2013,33(4):73-78.

[5] 胡小平.自主导航理论与应用[M].长沙:国防科技大学出版社,2002.

[6] 陈艳,张漫,马文强.基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法[J].农业工程学报,2011,27(3):126-131.

[7] 李丽华,王永斌.潜艇拖曳综合浮标及其关键技术[J].舰船电子工程,2005,25(5):23-25.

[8] 杜晓旭,宋保维,胡海豹.AUV拖曳GPS浮标系统仿真研究[J].西北工业大学学报,2008,26(1):88-92.

[9] 王光源,马海洋,李冬.拖曳通信浮标对潜艇隐蔽性的影响[J].舰船科学技术,2012,34(3):107-110.

[10] 吕伟,朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘,2007,23(3):29-32.

[11] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[12] 罗曼,陈敏慎,曾东.潜艇拖曳通信浮标体应用与发展初探[J].舰船科学技术,2008,30(S1):77-80.

Design of Autonomous Navigation and Positioning System for Submarine Based on Towed Buoy

XIANG Chunqing CHEN Yongqiang

(No. 91919 Troops of PLA, Huanggang 438000)

Submarine navigation and positioning accuracy is closely related to its tactical and technical performance, it can effectively improve the ability of the submarine’s concealed operation and the hit precision of weapon delivery by realizing accurate navigation and positioning in deep water. By using the high frequency modulation and demodulation technology, this paper presents a design method of autonomous navigation and positioning system by using the submarine towed buoy which to realize the autonomous navigation in the state of underwater hovering and movement. The autonomous navigation and positioning system can effectively improve the combat capability of submarine concealment.

towed buoy, inertial navigation, autonomous navigation

2016年7月3日,

2016年8月20日

向春清,男,硕士,高级工程师,研究方向:通信工程研究和应用。 陈永强,男,博士,工程师,研究方向:网络与信息安全、系统性能评价等。

U675.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.012