基于USBL輔助SINS的AUV導航技術研究.pdf

1、水下高精度導航定位技術是AUV成功執(zhí)行水下任務的關鍵，捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）因其完全自主性、隱蔽性和輸出導航信息全面等優(yōu)點得到了廣泛應用，但是SINS只能在短時間內(nèi)輸出較高精度的導航信息，定位誤差會隨著時間的積累產(chǎn)生發(fā)散。由于電磁波信號在水下發(fā)散衰減，GPS在水下無法定位;長基線定位系統(tǒng)雖然在水下定位精度高，但是聲學基陣的布放、校準和回收需要耗費大量的人力

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，通過合理的設計，在一定區(qū)域內(nèi)定位精度可以達到長基線系統(tǒng)的定位精度。本文研究了USBL輔助SINS的AUV定位方法，結合水下其他輔助導航設備，建立了SINS/USBL/DVL/MCP/深度計的組合導航模型，實現(xiàn)了AUV水下高精度導航定位的需求。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　第一，詳細介紹了國內(nèi)外AUV發(fā)展現(xiàn)狀和AUV導航算法的研究

3、現(xiàn)狀。針對AUV水下實際環(huán)境，詳細分析了水下聲學特性對聲學定位精度的影響，并提出了相應的解決辦法。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，模擬了水下聲學信號的發(fā)送和接收，為后續(xù)聲學定位仿真奠定了基礎。
　　第二，詳細概述了USBL系統(tǒng)的導航原理，介紹了距離方位法導航原理，針對其中時延差求解，采用加權互相關算法，避免了基本互相關峰值模糊或偽峰現(xiàn)象。本文還建立了純距離

4、導航方法，提出了距離迭代定位算法和高斯-牛頓迭代算法，并通過仿真驗證了算法的可行性和有效性。另外還介紹了海底聲源發(fā)射器的位置校準技術，針對位置校準過程中的聲線彎曲現(xiàn)象，提出了一種基于聲線修正的迭代算法，仿真表明經(jīng)過聲線修正過后，位置校準的精度得到了提高。
　　第三，針對單一慣性導航系統(tǒng)無法滿足AUV高精度、長時間的導航問題，設計了一種基于SINS/USBL/DVL/MCP/深度計的組合導航模型，詳細推導了基于集中式濾波的狀態(tài)方程和

5、觀測方程，針對USBL定位結果與SINS直接組合導航的方式，提出了一種基于相對信息測量量的組合方式，利用USBL得到的斜距和到達距離差，與SINS得到的斜距和到達距離差進行組合。最后，對不同的組合導航方式進行了對比仿真試驗以及對PDM輔助SINS定位做了仿真試驗，仿真結果表明引入USBL系統(tǒng)，可以有效修正SINS的位置誤差，改進過后的SINS/USBL組合導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