基于SINS-LBL交互輔助定位的AUV導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)導(dǎo)航精度的高低對(duì)其水下作業(yè)的成敗起決定性的作用，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strap-down Inertial NavigationSystem，SINS)是一種具有自主、隱蔽、實(shí)時(shí)、不易受外界環(huán)境干擾以及輸出參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn)的完全自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，通常被用作AUV的核心導(dǎo)航裝置，但其存在導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間不斷積累增加的缺點(diǎn)，難以獨(dú)立地長時(shí)工作。長基線(Lon

2、g Baseline，LBL）水聲定位系統(tǒng)可對(duì)水面或水下載體在局部區(qū)域進(jìn)行定位，但其定位精度易受水下環(huán)境的影響。結(jié)合SINS及LBL水聲定位系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于SINS/LBL交互輔助的定位方法，并結(jié)合多普勒速度計(jì)程儀(Doppler Velocity Logger，DVL)、磁羅經(jīng)(Magnetic Compass Pilot，MCP)組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)AUV水下導(dǎo)航的高精度、長航時(shí)、長航程的需求。論文取得的成果如下:

3、
　　一、充分調(diào)研了AUV及AUV導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了LBL水聲定位系統(tǒng)的基本工作原理，并推導(dǎo)了到達(dá)時(shí)間（Time of arrival，TOA）定位方式下不同數(shù)量的有效工作陣元對(duì)應(yīng)的三維空間水下定位算法，還推導(dǎo)了到達(dá)時(shí)間差(Time difference ofarrival，TDOA)定位方式中適用于于三維空間定位的Chan算法及Taylor算法。
　　二、針對(duì)TOA和TDOA這兩種定位方式分別提出了對(duì)應(yīng)基于SI

4、NS/LBL交互輔助的導(dǎo)航技術(shù)。針對(duì)TOA的定位方式，提出了基于前一定位劇期的定位結(jié)果計(jì)算等效聲速的算法，有效降低了由于水下聲速分布不均，聲線彎曲造成的測(cè)距誤差，提高了定位精度;針對(duì)TDOA的定位方式，利用SINS的位置信息輔助選擇合適的相關(guān)峰進(jìn)行時(shí)延差估計(jì)有效解決了多途效應(yīng)造成的相關(guān)峰模糊問題，降低了時(shí)延差的估計(jì)誤差，提高了TDOA定位精度。
　　三、結(jié)合SINS、LBL水聲定位系統(tǒng)、DVL及MCP各自的工作特點(diǎn)，分別根據(jù)集中式

5、Kalman濾波技術(shù)和聯(lián)邦Kalman濾波技術(shù)設(shè)計(jì)出了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并分別建立了相應(yīng)的狀態(tài)模型和量測(cè)模型。其中，聯(lián)邦式組合導(dǎo)航系統(tǒng)更能適應(yīng)水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)中信息多元化，狀態(tài)維數(shù)高的特點(diǎn)，并且具有更小的計(jì)算量、更好的容錯(cuò)性及更高的靈活性。
　　四、根據(jù)水聲通信理論對(duì)水下聲信道建模，并結(jié)合實(shí)際湖試采樣的水下環(huán)境數(shù)據(jù)模擬水聲信號(hào)的傳播情況?；谀M的水聲信號(hào)對(duì)上述方案進(jìn)行分別進(jìn)行了靜態(tài)定位及動(dòng)態(tài)運(yùn)行導(dǎo)航仿真驗(yàn)證。最終的仿真結(jié)果表明，該方