基于SINS/LBL交互辅助定位的AUV导航技术研究

摘要

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)导航精度的高低对其水下作业的成败起决定性的作用，捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial NavigationSystem，SINS)是一种具有自主、隐蔽、实时、不易受外界环境干扰以及输出参数全面等优点的完全自主式导航系统，通常被用作AUV的核心导航装置，但其存在导航定位误差随时间不断积累增加的缺点，难以独立地长时工作。长基线(Long Baseline，LBL）水声定位系统可对水面或水下载体在局部区域进行定位，但其定位精度易受水下环境的影响。结合SINS及LBL水声定位系统各自的优缺点，提出了一种基于SINS/LBL交互辅助的定位方法，并结合多普勒速度计程仪(Doppler Velocity Logger，DVL)、磁罗经(Magnetic Compass Pilot，MCP)组成组合导航系统，实现AUV水下导航的高精度、长航时、长航程的需求。论文取得的成果如下:
　　一、充分调研了AUV及AUV导航技术的研究现状，详细分析了LBL水声定位系统的基本工作原理，并推导了到达时间（Time of arrival，TOA）定位方式下不同数量的有效工作阵元对应的三维空间水下定位算法，还推导了到达时间差(Time difference ofarrival，TDOA)定位方式中适用于于三维空间定位的Chan算法及Taylor算法。
　　二、针对TOA和TDOA这两种定位方式分别提出了对应基于SINS/LBL交互辅助的导航技术。针对TOA的定位方式，提出了基于前一定位剧期的定位结果计算等效声速的算法，有效降低了由于水下声速分布不均，声线弯曲造成的测距误差，提高了定位精度;针对TDOA的定位方式，利用SINS的位置信息辅助选择合适的相关峰进行时延差估计有效解决了多途效应造成的相关峰模糊问题，降低了时延差的估计误差，提高了TDOA定位精度。
　　三、结合SINS、LBL水声定位系统、DVL及MCP各自的工作特点，分别根据集中式Kalman滤波技术和联邦Kalman滤波技术设计出了组合导航系统，并分别建立了相应的状态模型和量测模型。其中，联邦式组合导航系统更能适应水下组合导航系统中信息多元化，状态维数高的特点，并且具有更小的计算量、更好的容错性及更高的灵活性。
　　四、根据水声通信理论对水下声信道建模，并结合实际湖试采样的水下环境数据模拟水声信号的传播情况。基于模拟的水声信号对上述方案进行分别进行了静态定位及动态运行导航仿真验证。最终的仿真结果表明，该方案能有效降低水下声学定位中出现的声速不均、声线弯曲及多途传播带来的定位误差，提高AUV水下导航定位精度一整个导航系统能够满足AUV水下导航定位的需求。

目录

声明

摘要

图表目录

常用符号注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 AUV研究现状

1．2．2 AUV导航技术研究现状

1．3 论文研究内容及论文结构安排

第二章 LBL水声定位系统分析

2．1 引言

2．2 水声定位系统分析

2．3 LBL水声定位系统的基本工作原理

2．3．1 LBL水声定位系统分析

2．3．2 海底应答器基阵的布放及定位

2．3．3 LBL水声定位数学模型

2．3．4 LBL系统定位时所需的坐标转换

2．3．5 LBL水声定位系统误差分析

2．4 本章小结

第三章 LBL水下定位算法分析

3．1 引言

3．2 基于TOA的水下定位算法

3．2．1 阵元数量为3

3．2．2 阵元数量为4及4个以上

3．3 基于TDOA的水下定位算法

3．3．1 Chan算法

3．3．2 Taylor算法

3．4 本章小结

第四章 基于SINS／LBL交互辅助的导航技术

4．1 引言

4．2 基于TOA定位的交互辅助导航技术

4．2．1 TOA方式下等效声速的计算

4．2．2 TOA交互辅助系统设计

4．3 基于TDOA定位的交互辅助导航技术

4．3．1 TDOA交互辅助技术设计

4．3．2 相关峰模糊问题及其解决办法

4．4 本章小结

第五章 SINS／DVL／MCP／LBL组合导航系统

5．1 引言

5．2 系统总体方案设计

5．3 集中式组合导航系统

5．4 联邦式组合导航

5．4．1 子滤波器设计

5．4．2 联邦滤波器的设计

5．5 本章小结

第六章 SINS／LBL交互辅助导航技术仿真

6．1 引言

6．2 水下声信道建模与水声信号模拟

6．3 系统静态定位仿真

6．3．1 TOA交互辅助静态定位仿真

6．3．2 TDOA交互辅助静态定位仿真

6．4 系统动态运行导航定位仿真

6．4．1 TOA交互辅助动态运行导航定位仿真结果

6．4．2 TDOA交互辅助动态运行导航定位仿真结果

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果