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AUV水下导航系统关键技术研究

何东旭  
【摘要】:AUV是一种自治式潜水器。如果AUV的导航系统提供的位置或姿态信息发生错误,将会影响制导和控制系统的精度,因此导航系统对AUV执行各种水下任务来说具有决定性意义,是决定AUV技术水平的一个重要的标志。本文从提高AUV组合导航系统精度的实际需要出发,对AUV组合导航系统中的部分关键技术进行了深入研究,主要工作有: 1.研究了船位推算算法的原理,推导了船位推算算法的误差方程,在此基础上研究了捷联惯导和DVL的分立式标定方法,通过合理地简化,分离出DVL刻度因数误差和安装偏差,从而对DVL刻度因数误差和部分安装偏差进行补偿。针对分立式标定方法的不足,提出了一种效果更优的整体式标定方法,详细推导了整体式标定算法,并利用所提出的算法对DVL的刻度因数误差与安装误差进行了整体式标定和一体化补偿,最后进行了仿真验证和试验验证。 2.研究了动基座条件下捷联惯导快速对准算法。首先研究了惯性系对准方法原理,并推导了误差方程,结论表明惯性系对准极限精度取决于陀螺漂移和加速度计零偏。进而提出一种卡尔曼滤波惯性系对准算法:采用卡尔曼滤波算法获得准确的重力加速度信息,完成惯性系初始对准,该方法具有工程实现简单、对准精度高、对准时间短的优点。通过仿真试验、静态试验、摇摆试验和动基座对准试验对所提算法的有效性进行了验证。 3.介绍了非线性高斯系统滤波递推公式,研究了以Unscented变换近似高斯积分的UKF算法和以Spherical-Radial Cubature准则为近似高斯积分策略的CKF滤波算法,并从理论上证明了二者之间的估计精度差别:在处理高维非线性系统时,UKF算法估计精度低于CKF算法,而CKF算法估计精度高,且较为稳定,更适合应用于系统状态维数较高的SINS/DVL组合导航。最后提出将UKF算法和CKF算法应用于姿态误差角较大时的SINS/DVL组合导航仿真和试验,以验证分析的结果的正确性。 4.研究了基于水声测距的捷联惯导与多普勒计程仪组合导航系统校正技术。通过装备于母船上的测距设备,测量出AUV相对母船的距离,再利用闵可夫斯基和运算和最小二乘估计方法,估算出AUV初始位置和速度常值误差,在此基础上,估算出安装误差角。该方法无需使AUV上浮获取GPS信息即可实现对位置、速度、及安装误差角的校正,从而提高AUV的导航精度。最后通过仿真试验和模拟试验验证了所提方法的有效性。


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