基于UTP的UUV远程航海水下位置校准及控制方法研究

摘要

水下无人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)的高精度导航是其顺利完成远程航海及作业任务的重要保障。但是,UUV导航系统的误差会随时间累积,导致导航精度下降。针对该问题,常用的措施是采用GPS或者北斗信息对导航误差进行校正,但该措施对于UUV水下隐蔽任务不再适用,为此提出一种基于水下应答器(Underwater Transponder Positioning,UTP)的UUV声学辅助导航方法,通过UTP来对UUV的导航累积误差进行修正,从而提高UUV的导航精度。　　本课题面向国家863题库中的“UUV深海大范围勘测绿色高精度定位与导航技术”需求,围绕“利用UTP对UUV进行辅助导航”问题,开展了以下研究工作:　　首先,设计了UTP辅助的UUV远程航海导航系统结构,阐述了单UTP辅助UUV导航的工作原理和工作流程。UTP辅助的UUV远程航海导航系统由超短基线、捷联惯导、多普勒等设备以及海底应答器阵列构成,用以支撑实现UUV远程航海的高精度导航功能。构成海底应答器阵列的各应答器导航原理相同,但工作彼此独立,可接力对UUV的水下位置进行校准。　　其次,分析、归纳了UTP辅助的UUV组合导航系统导航精度的影响因素,设计了该组合导航系统的联邦卡尔曼滤波器。为了提高UTP辅助的UUV组合导航系统的导航精度和鲁棒性,针对影响该系统导航精度的各影响因素,采用卡尔曼滤波方法设计了各局部滤波器并组成了联邦卡尔曼滤波器,仿真证明了其有效性。　　再次,针对UTP辅助UUV导航时存在的系统不可观测问题(UUV的路径穿越UTP等效声学中心、位于UTP等深平面或垂直平面时将导致定位信息降维),基于线性时变系统局部可观测性理论推导出了UTP辅助UUV导航时的系统可观性条件,给出了导航系统可观测时的UUV导航路径;给出了系统可观测时的UTP导航算法,仿真验证了其有效性。　　最后,结合UUV水下远程航海任务,给出了UTP辅助导航时UUV可采用的控制策略,利用BSA-UUV的试验数据对基于UTP的UUV辅助导航方法和控制策略进行了仿真验证。仿真结果表明该控制策略可行,利用UTP阵列辅助导航可以有效校准UUV远程航海的导航累积误差,可扩展UUV导航系统的可信导航范围。　　本文对基于UTP的UUV远程航海水下位置校准及控制方法进行了研究,证明了UTP辅助导航能够有效校正UUV组合导航系统的累积误差,提高UUV的导航精度。由于UTP一次布放可连续数年使用而不需回收,在UUV的活动海域或预设航路上布设多个UTP组成UTP阵列,UUV在航行过程中利用UTP阵列进行位置校准,可最大限度地放宽导航系统对UUV活动范围的限制,提升UUV的作业能力。因此,本文的研究成果对于UUV完成水下远程航海任务具有重要的理论意义和工程参考价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 UUV水下辅助导航定位技术

1.3 UTP辅助UUV导航定位技术研究现状

1.4 论文的主要研究内容和组织结构

第2章 UTP辅助的UUV远程航海导航系统构建

2.1 引言

2.2 BSA-UUV简介

2.3 UTP辅助的UUV远程航海导航系统组成

2.4 UTP辅助的UUV导航系统工作原理及流程

2.5 本章小结

第3章 导航系统误差分析与滤波器设计

3.1 引言

3.2 导航坐标系

3.3 导航系统的原理及误差分析

3.4 UTP辅助的UUV导航系统的联邦滤波器设计

3.5 滤波算法的仿真验证

3.6 本章小结

第4章 UTP辅助导航的UUV水下位置校准

4.1 引言

4.2 UTP数学建模

4.3 UTP辅助的UUV导航系统可观测性分析

4.4 可观条件下UTP辅助导航的UUV水下位置校准算法

4.5 UTP导航算法仿真验证

4.6 本章小结

第5章 UTP辅助UUV导航的控制策略

5.1 引言

5.2 BSA-UUV自主控制系统简介

5.3 面向勘察任务的UTP辅助UUV导航控制策略设计

5.4 UTP导航仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢