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SINS/USBL一体化系统标定方法及组合定位技术研究

2020-12-08阅读(829)

SINS/USBL一体化系统标定方法及组合定位技术研究

论文摘要

为实现海洋经济强国这一目标,自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为目前可以用来进行海洋资源探测和海底地形检测的重要设备不可或缺,但保障AUV进行高效巡逻、高精度、高可靠性、高隐蔽性的关键技术基本被国外垄断,因此我国必须加快发展并尽快实现完全国产化的AUV。捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)具有高自主、高隐蔽性、位姿态数据输出全面等优点,但其定位误差会随着时间增加而增加。超短基线系统(Ultra Short Base Line,USBL)具有高定位精度且不存在误差累积效应的优点,但数据输出不全、输出频率低。针对SINS/USBL组合导航系统存在着SINS导航坐标系和USBL导航坐标系不统一的问题,论文设计了一种SINS/USBL组合导航系统的安装误差标定技术,使得标定后定位精度比标定前提高了64.3%。针对单一的SINS或USBL的缺点,论文设计了两种SINS/USBL组合导航的形式来实现AUV的高精度导航。论文的主要研究内容包括如下:第一,详细调研了国内外AUV设备的发展现状和安装误差标定的研究现状。使用Bellhop水声工具包仿真了某湖的水下信道,成功模拟出了水下真实环境。提出了一种重复广义互相关时延差估计算法,新提出的算法时延差误差为0.0112s,相对于老算法的0.0209s,能够提高46.4%,完善了基于时延差距离定位的USBL定位技术。第二,针对水下应答器校准部分,提出了一种基于Adomian分解思想的球面交汇模型解算方法;针对SINS/USBL安装误差标定部分,提出了一种基于奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)的标定算法。新安装误差标定算法可以求出SINS/USBL的安装误差角,标定精度可达0.05°。第三,针对水下实际应用对象要求和使用环境情况,设计了一种松组合的SINS/USBL的组合导航模式,并在此基础上,针对海底复杂的环境,为了提高系统的稳定性,设计了一种当某个水听器缺失时,可以降低精度保持系统的连续工作能力的组合导航模式。最后对这两种导航模式进行仿真实验,海洋仿真实验表明,SINS/USBL可以实现2.2‰D(D为斜距)的定位精度,三水听器组合导航模式可以实现3.1‰D的定位精度。第四,在南京长江大桥附件一段长江流域附近,完成了原理样机的实际测试。使用标定技术对实际测量数据进行处理后,发现标定后应答器的定位精度可达0.3472m以及SINS/USBL组合导航最大位置误差为3.5621m,验证了SINS/USBL一体化系统安装误差标定算法与SINS/USBL组合导航算法的正确性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 常用符号目录
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外发展现状
  •   1.3 论文结构与安排
  • 第二章 超短基线水声定位技术研究
  •   2.1 引言
  •   2.2 水声信道建模
  •   2.3 超短基线定位技术
  •     2.3.1 超短基线系统组成
  •     2.3.2 超短基线系统定位原理
  •   2.4 基于时延差的距离定位方法
  •     2.4.1 基本互相关的时延差估计算法
  •     2.4.2 经典互相关的时延差估计算法
  •     2.4.3 重复广义互相关的时延差估计算法
  •   2.5 超声波实验
  •     2.5.1 重复广义互相关算法仿真
  •     2.5.2 超声波仿真实验
  •   2.6 本章小结
  • 第三章 SINS/USBL声学基阵安装误差角标定技术
  •   3.1 引言
  •   3.2 水下应答器校准
  •   3.3 SINS/USBL组合系统安装误差标定
  •   3.4 仿真实验
  •     3.4.1 仿真实验主要参数
  •     3.4.2 仿真结果分析
  •   3.5 本章小结
  • 第四章 SINS/USBL组合导航技术研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 捷联惯性导航定位原理
  •     4.2.1 坐标系转换
  •     4.2.2 捷联惯性导航定位原理
  •   4.3 捷联惯性导航误差方程
  •     4.3.1 姿态误差方程
  •     4.3.2 速度误差方程
  •     4.3.3 位置误差方程
  •   4.4 SINS/USBL松组合导航系统
  •     4.4.1 卡尔曼滤波原理
  •     4.4.2 SINS/USBL松组合导航系统
  •   4.5 SINS/三水听器 USBL 组合导航系统
  •     4.5.1 SINS/三水听器 USBL 组合导航系统模型
  •     4.5.2 三水听器的误差模型的建立
  •     4.5.3 三水听器的SINS/USBL状态方程以及观测方程建立
  •   4.6 仿真实验
  •     4.6.1 仿真实验主要参数
  •     4.6.2 仿真实验内容
  •     4.6.3 仿真实验结果分析
  •   4.7 本章小结
  • 第五章 长江实验
  •   5.1 引言
  •   5.2 实验场景过程
  •   5.3 实验内容与结果分析
  •     5.3.1 SINS/USBL一体化标定实验
  •     5.3.2 SINS/USBL组合导航实验
  •   5.4 实验结论与存在问题
  •     5.4.1 实验结论
  •     5.4.2 存在问题
  •   5.5 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 研究展望及不足
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 孙晓俊

    导师: 徐晓苏

    关键词: 自主水下航行器,捷联惯性导航系统,安装误差标定,组合导航,时延估计

    来源: 东南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 海洋学

    单位: 东南大学

    基金: 国家“十三五”项目

    分类号: P715

    DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002854

    总页数: 102

    文件大小: 6365K

    下载量: 78

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