自主水下潜器海底地形辅助导航技术研究

摘要

自主水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为开发和探索海洋的重要工具，在科学考察、商业及军事方面均有广泛的应用。水下高精度自主导航是发展AUV必须突破的关键技术之一，也是目前导航技术领域研究的热点和难点问题。当全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)在水下环境不可用时，为改善AUV自主导航性能，海底地形辅助导航(Seabed Terrain Aided Navigation,STAN)是替代GNSS最具有发展潜力的技术之一。海底地形辅助导航的准确度和可行性受AUV传感器装备的影响，目前它在高精度、高配置AUV的技术比较成熟且应用广泛，而在低配置AUV的研究与应用相对较少，并且高精度导航问题也更为突出。因此，本文以低配置AUV海底地形辅助导航为主题，主要研究海底地形建模、地形匹配以及地形辅助导航滤波器等关键技术。论文的主要内容和创新如下： (1)针对海底地形建模问题，研究基于插值方法的海底地形建模。选定规则格网模型作为预存海底地形图模型，以数字地面模型(Digital Terrain Model,DTM)中格网插值算法为研究对象，研究高斯过程(Gaussian Process,GP)插值算法的建模原理。利用GP处理空间相关性和估计预测值不确定性方面的良好特性，通过两种地形变化的海底地形水深分布数据图进行建模和验证，结果表明基于高斯过程的海底地形建模方法具有较好的地形逼近性能，在低分辨率海图下的优势更为明显。 (2)为了解决AUV中多普勒计程仪辅助惯性导航系统(Doppler Velocity Log Aided Strapdown Inertial NavigationSystem,DVL/SINS)累积的较大位置误差，研究海底地形匹配导航技术。本文提出基于约束粒子群优化的地形匹配算法(Constrained Particle Swarm Optimization,CPSO)，将粒子群的初始位置通过水深等值域进行约束优化，充分利用DVL/SINS系统的导航信息和水深数据设计CPSO的适应度函数。仿真试验表明，与最近等值线迭代(Iterative Closet Contour Point,ICCP)算法相比，在地形变化明显区，ICCP的定位精度大于200m，CPSO算法的定位精度提高到100m以内，具有较高的匹配定位精度。此外，在不同的海图分辨率下，比较基于各种插值法的CPSO算法，结果显示GP-CPSO算法具有较好的地形匹配性能，可为地形辅助导航的实时跟踪阶段提供较高精度的AUV初始位置。 (3)针对低配置AUV海底地形辅助导航问题，研究TAN松/紧两种组合导航模式。直接利用DVL/SINS系统的传感器输出信息作为TAN紧组合滤波器的输入，采用单波束测深仪和四波束测深仪，分别验证TAN松/紧组合导航在不同地形区域的导航性能。结果表明，TAN紧组合系统的导航性能明显优于TAN松组合导航系统，成功地实现了低配置AUV导航。此外，采用四波束测深仪的TAN紧组合导航定位精度在一个海图分辨率以内，更有利于TAN导航收敛性和导航精度的提高。 (4)在TAN松/紧组合模式研究的基础上，本文提出基于三维距离的改进地形辅助导航紧组合方法(3D-TAN)，将仅有高度信息的一维观测方程扩展为包含东北向距离的三维方程。通过在不同海图分辨率、水深测量误差和地形建模方法等条件下的仿真表明，针对水深误差引起的TAN导航精度的下降，相比已有的TAN紧组合导航方法(1D-TAN)，本文所提方法可进一步改善低配置AUV的地形辅助导航性能。特别地，基于高斯过程的TAN紧组合方法对低配置AUV导航性能的改善效果更为明显。

目录

第一个书签之前