基于USBL輔助SINS的AUV導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、水下高精度導(dǎo)航定位技術(shù)是AUV成功執(zhí)行水下任務(wù)的關(guān)鍵，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）因其完全自主性、隱蔽性和輸出導(dǎo)航信息全面等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，但是SINS只能在短時(shí)間內(nèi)輸出較高精度的導(dǎo)航信息，定位誤差會(huì)隨著時(shí)間的積累產(chǎn)生發(fā)散。由于電磁波信號(hào)在水下發(fā)散衰減，GPS在水下無(wú)法定位;長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)雖然在水下定位精度高，但是聲學(xué)基陣的布放、校準(zhǔn)和回收需要耗費(fèi)大量的人力

2、物力。超短基線定位系統(tǒng)(Ultra-Short Base Line，USBL)由于基陣尺寸小，安裝方便，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，在一定區(qū)域內(nèi)定位精度可以達(dá)到長(zhǎng)基線系統(tǒng)的定位精度。本文研究了USBL輔助SINS的AUV定位方法，結(jié)合水下其他輔助導(dǎo)航設(shè)備，建立了SINS/USBL/DVL/MCP/深度計(jì)的組合導(dǎo)航模型，實(shí)現(xiàn)了AUV水下高精度導(dǎo)航定位的需求。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　第一，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外AUV發(fā)展現(xiàn)狀和AUV導(dǎo)航算法的研究

3、現(xiàn)狀。針對(duì)AUV水下實(shí)際環(huán)境，詳細(xì)分析了水下聲學(xué)特性對(duì)聲學(xué)定位精度的影響，并提出了相應(yīng)的解決辦法。為了建立后續(xù)AUV仿真的水下環(huán)境模型，研究了水下射線聲學(xué)基本理論，并采用BellHop軟件模擬水下信道模型，模擬了水下聲學(xué)信號(hào)的發(fā)送和接收，為后續(xù)聲學(xué)定位仿真奠定了基礎(chǔ)。
　　第二，詳細(xì)概述了USBL系統(tǒng)的導(dǎo)航原理，介紹了距離方位法導(dǎo)航原理，針對(duì)其中時(shí)延差求解，采用加權(quán)互相關(guān)算法，避免了基本互相關(guān)峰值模糊或偽峰現(xiàn)象。本文還建立了純距離

4、導(dǎo)航方法，提出了距離迭代定位算法和高斯-牛頓迭代算法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。另外還介紹了海底聲源發(fā)射器的位置校準(zhǔn)技術(shù)，針對(duì)位置校準(zhǔn)過(guò)程中的聲線彎曲現(xiàn)象，提出了一種基于聲線修正的迭代算法，仿真表明經(jīng)過(guò)聲線修正過(guò)后，位置校準(zhǔn)的精度得到了提高。
　　第三，針對(duì)單一慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足AUV高精度、長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)航問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于SINS/USBL/DVL/MCP/深度計(jì)的組合導(dǎo)航模型，詳細(xì)推導(dǎo)了基于集中式濾波的狀態(tài)方程和

5、觀測(cè)方程，針對(duì)USBL定位結(jié)果與SINS直接組合導(dǎo)航的方式，提出了一種基于相對(duì)信息測(cè)量量的組合方式，利用USBL得到的斜距和到達(dá)距離差，與SINS得到的斜距和到達(dá)距離差進(jìn)行組合。最后，對(duì)不同的組合導(dǎo)航方式進(jìn)行了對(duì)比仿真試驗(yàn)以及對(duì)PDM輔助SINS定位做了仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明引入U(xiǎn)SBL系統(tǒng)，可以有效修正SINS的位置誤差，改進(jìn)過(guò)后的SINS/USBL組合導(dǎo)航方式定位精度更高，在AUV航行速度較慢，航向誤差較小的情況下，PDM輔助SIN