多信标辅助下的AUV声学组合导航算法研究与实现

摘要

如今，自主式水下潜器正在深海资源勘测、水雷排除等民/军用领域发挥着巨大作用，声学定位辅助下的组合导航系统可以为工作在深海的潜器提供高精度的位置跟踪，是潜器有效应用和安全回收重要保障。多信标导航系统较单信标导航系统具有更高的定位精度和更大的覆盖范围，但现有的基于长基线定位的组合导航系统应用于水下潜器时仍存在缺陷。
　　本文从长基线定位基本原理出发，分析了长基线定位系统在为水下潜器定位/导航时，存在定位结果更新速率低、实时性差等问题。建立了一种基于扩展卡尔曼滤波，使用距离和速度作为量测信息的组合导航解算模型，实时、高速率地更新位置信息。为减小量测野值对导航系统稳定性的影响，提出使用具有有限信任度的最小二乘外推法用于速度信息预处理，并结合卡尔曼滤波状态和协方差估计进行测距信息预处理。并使用基于Lie导数的非线性系统可观测理论，分析系统对目标的可观测性。
　　对不同数量信标辅助时导航系统的跟踪性能进行仿真分析发现，单信标导航系统虽可以抑制航位推算系统的滤波发散，但误差收敛速度较慢，误差修正能力较差；双信标导航系统的误差收敛速度和定位精度都得到明显提高，但直线阵中心处存在基阵垂向误差修正盲区；在三只信标辅助时，可在保证定位精度(1.0±0.2m)的同时，对航行在阵内、阵边或阵外的目标都具有较好的跟踪效果。之后分析了信标标定误差和测距误差对导航系统跟踪性能的影响。
　　最后在导航算法基础上，进行了湖上试验数据处理，试验结果表明导航系统的定位误差受到各量测信息精度的共同影响，高精度测距和对漏检、误检的有效判断可以提高系统的精度和稳定性。单信标系统可以抑制航位推算误差的发散，定位精度达到5m左右；导航算法具有比长基线定位更高的定位有效性；而经过数据预处理的多信标导航系统，定位误差则可达到1.5±0.9m。经过数据预处理之后的多信标导航系统，可以实时为目标提供稳定、高精度的位置信息。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 多信标组合导航系统模型构建

2.1 引言

2.2 长基线定位原理及导航应用分析

2.3 基于多信标测距的扩展卡尔曼滤波解算模型

2.4 本章小结

第3章 多信标组合导航算法仿真分析

3.1 导航精度评价方法

3.2 航位推算导航算法仿真与分析

3.3 单信标导航算法仿真与分析

3.4 双信标导航算法仿真与分析

3.5 多信标导航算法仿真与分析

3.6 标定误差对导航算法的影响

3.7 测距误差对导航算法的影响

3.8 本章小结

第4章 多信标组合导航算法试验数据处理

4.1 航位推算导航数据处理

4.2 单信标导航数据处理

4.3 双信标导航数据处理

4.4 多信标导航数据处理

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢