基于卡尔曼滤波的INS／USBL水下导航系统模型研究

简述惯性导航技术(INS)和超短基线定位技术(USBL),并分析了各自的优缺点.为了满足深海作业对导航定位高精度、高数据更新率的技术需求,提出基于卡尔曼滤波技术(Kalman Filter)实现INS和USBL的融合集成,研究了系统模型,进行了水下定位试验,给出了误差分析结果,证明了模型的可靠性.     

基于倒置声学基阵的INSUSBL组合导航算法研究

文中关注水下潜航器导航定位时,电磁波传播途径中能量衰减、惯导系统长航时积累误差以及提高水下潜航器定位精度等问题。基于倒置的超短基线声学基阵,分析声波往返传播时间(RTT)、平面波近似方法和USBL导航解算方法及其坐标转换过程,结合INS误差方程,建立INS/USBL松组合模型。为进一步提高系统精度、动态性能和抗干扰性,考察USBL的原始斜距、斜距差以及声学基阵的空间分布信息,提出基于USBL原始输出信息的INS/USBL紧耦合组合导航方法。通过MATLAB仿真对导航算法进行验证,结果表明两种算法能充分抑制纯惯导误差随时间积累问题,且有效地估计出姿态、速度和位置误差角;其中紧耦合方法状态估计误差最小,导航参数精度相对松组合提高30%以上,对于提高水下载体导航定位精度、海洋探测具有重大意义。     

基于声呐图像的深海采矿车组合定位导航算法

实现高精度的定位导航是深海采矿车完成海底工作任务的基础条件。在采矿车行进过程中,声呐设备生成的图像信息能够反映海底场景的变化,从而体现采矿车本身的运动,由此建立了一种声呐图像里程计,并将其与轮式里程计和USBL测量数据相结合提出了一种深海采矿车组合定位导航算法。首先对多波束前视声呐图像进行预处理,然后使用Canny算法进行特征检测并对特征点云进行配准,再结合声呐成像原理构建了声呐图像里程计运动模型,最后通过轮式里程计运动模型推导预测方程、声呐图像里程计运动模型和USBL测量数据推导更新方程,利用EKF（extended Kalman filter）算法实现基于多传感器融合的定位与姿态估计。海试数据验证了该组合定位算法能实现轮式里程计、声呐里程计和超短基线在速度、位置、艏向角估计、定位速率的精度互补,具有一定的有效性和精确性,该算法为深海采矿车的定位与导航算法研发提供了参考。     

深海拖曳系统水下控制技术研究

深海拖曳系统是人类开发利用海洋的一项重要手段。在众多深海探测装备中，深海拖曳系统以探测面积广、作业效率高、操控性能好等优势而得到了广泛应用。针对深海拖曳系统水下控制技术，从控制手段和控制策略2个方面对其发展历程、国内外研究现状等进行梳理，分析对比不同控制手段的优缺点，并对深海拖曳系统水下控制技术未来的研究方向进行展望，以期为深海拖曳系统的应用与发展提供参考。     

深水系泊新型拖曳锚研发关键技术

作为深海工程应用中一种新型的拖曳嵌入式系泊基础,法向承力锚与目前新型的深水绷紧索系泊方式结合,在深水条件下的优势非常明显.综合比较了新型拖曳锚、吸力锚以及桩锚在施工、性能以及经济性等多方面的特点.提出了开展新型拖曳锚研发的若干关键技术.在对国外的实验研究现状进行综合评述的基础上,重点介绍了在构建新型拖曳锚模型实验平台方面取得的成果,涉及模型水槽、拖曳与回收系统、测量系统、模型锚板设计以及拖曳-系泊转换机构等关键技术.     

水下地貌调查测量精度提高方法研究

海洋调查中,为确保调查信息与实际位置相匹配,提高调查成果的可信度,必须提高作业船拖曳调查设备的定位精度。论述了基于超短基线（USBL）水声定位与差分全球定位系统（DGPS）组合的新方法,消除了因作业船频繁变向、潮流的流向及流速等造成的调查设备位置的测量误差,成功地解决了调查信息错位,提高了海底地貌调查的定位测量精度,实用性较强。     

拖曳式海洋地磁三分量测量系统的设计与试验

针对现有拖曳式海洋磁力测量通常只能获取地磁总场信息,不能获得地磁矢量信息的问题,提出了一种拖曳式海洋地磁三分量测量系统设计方案。测量系统通过INS/GNSS组合导航进行定位定姿,搭载的三分量磁力仪与惯导通过高精度定位板刚性固定,经过数学平台的坐标变换,进而将拖体任意姿态下的海洋地磁场三分量数据归算到地理坐标系下。此外,对拖体进行了水动力分析,提高姿态稳定性的同时减小了阻力。经过海上试验和数据处理,系统获得的三分量数据在平差前的重复线内符合精度分别为东向6.8 nT、北向4.1 nT、地向8.0 nT,交叉点内符合精度分别为东向19.1 nT、北向19.5 nT、地向15.4 nT。结果表明该系统可为海洋矢量磁力测量提供良好的测量平台,为后续的海洋磁力测量提供实践经验和工程参考。     

一种基于超短基线定位的便携式AUV回坞导航方法

自主水下机器人(AUV)对接技术是目前水下机器人的研究热点,精确可靠的AUV的回坞导航是实现对接的关键技术。对于追求轻便的便携式AUV的对接系统,考虑到便携式AUV的搭载能力有限又需要足够的定位精度用于对接,提出了一种基于超短基线(USBL)定位的回坞导航方法,该方法让AUV只需装载电子罗盘和水声应答器就能完成精确的回坞定位。根据导航方法的特点,设计了一种改进的扩展卡尔曼滤波算法,其优点是能在处理滞后的USBL数据的同时动态估算海流、更新状态方程以消除海流造成的定位误差。通过湖试和大量仿真实验,验证了定位算法在海流影响下的定位性能。     

GNSS/INS组合导航系统中异常观测的探测与抑制

在隧道、城市峡谷、多径效应明显等恶劣环境中,GNSS定位结果易受异常值影响。GNSS异常值的存在使得观测噪声服从Gauss分布的假设不再成立,从而将严重影响GNSS/INS组合系统中Kalman滤波的性能。本文将抗差Kalman滤波用于GNSS/INS组合导航系统中异常观测的探测与抑制。根据设定的显著性水平对Kalman滤波的新息向量进行c2检验,原假设被拒绝时认为异常观测存在;然后引入尺度化因子对新息向量的协方差矩阵进行膨胀,以抑制异常观测对滤波结果的影响,并通过解析方法求解该因子。数值仿真的结果验证了算法的有效性。     

一种新型的6000米深水可视可控轻型沉积物柱状取样系统

为了获得连续、低扰动、超长的深海海底沉积物样品,研制了一套可应用于最大水深6 000 m,最长取样可达25 m的可视可控轻型沉积物柱状取样系统。本套设备主要包括甲板控制单元、取样系统和立式收放机构3部分。在取样过程中,本系统充分利用动能和深海液压锤夯击双动力组合,即取样过程包括前期的重力贯入和后期的夯击取样两个过程。液压锤夯击机构的配置使取样器在不显著增加自身重量的前提下,完成超长、连续、低扰动的深海沉积物柱状样采集工作。取样器的组合与拆卸采用立式吊装的方式,极大地降低了取样过程中的工作量和所需甲板作业空间。水下监测系统的配置解决了以往盲采样的弊端。除此之外,本取样器还设有多个标准通用端口,可以扩展为多种设备的集成平台,完成多种数据的采集。目前本套设备已经成功进行了海试,并作为主要沉积物取样设备成功应用于多个海上调查航次,取得了一系列连续、低扰动的柱状样品,有效地提高了我国深海可视可控柱状取样的技术水平。     

基于最小二乘法的超短基线水声定位系统校准方法

超短基线水声定位系统是海洋工程及水下无人系统中应用较广泛的精密仪器设备，为了提高对水下目标的定位精度，在使用前需对其进行校准。描述了一种基于最小二乘法迭代修正的超短基线水声定位系统校准方法，该方法以最小二乘法为基本原理，通过多次迭代修正的方式，修正基阵与GPS天线之间的平移偏差以及基阵与罗经之间的旋转偏差，从而提高系统的测量精度，最终通过湖上试验验证了该方法的有效性。     

基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方法

单一导航系统无法满足水下运载体高精度、高可靠性的导航需求,文中根据常用水下导航系统的特点,提出基于可重置联邦滤波器的水下运载体导航定位方案,设计了以惯导系统(INS)为主参考系统,声学定位系统/深度计、多普勒计程仪(DVL)、罗经为子参考系统的联邦滤波器,并进行了仿真研究。结果表明文中设计的滤波器能有效融合各个传感器的导航信息,实现水下运载体高精度导航定位,并具有一定容错性。     

超短基线定位原理及校正方法研究

通过探讨超短基线和GPS技术相结合的三维立体定位原理,分析超短基线定位误差来源,如安装偏差、声速误差、船姿态变化引起的偏差等,利用以最小二乘法为理论基础的动态校正法对超短基线定位误差进行了修正,将校正前后的定位数据标准偏差和剩余偏差处理后对比发现,这种方法可以极大地提高水下目标定位的精度,减少定位的误差,这也在实际应用...     

深海大型爬行机器人研究现状

对海底不同作业形式的深海大型爬行机器人进行了分类综述，依据当前深海大型爬行机器人在各方面的应用，将其分为了深海采矿机器人和深海挖沟机器人两大类，并对这两类中的一些性能突出的机器人进行了详细的介绍。重点介绍我国第一代、第二代多金属结核采矿机器人，SMD的3个多金属硫化物开采机器人，中科院深海所的富钴结壳规模采样爬行机器人，喷射式挖沟爬行机器人QT2800和机械式挖沟爬行机器人BT2400。并对深海大型爬行机器人的海底复杂行走技术和导航定位技术进行了阐述。行走技术方面，重点介绍Nexans公司的带有铰接式行走腿系统的Spider Dredger，中南大学的铰接履带式采矿机器人和北京矿冶研究总院的复合轮式机器人。导航定位方面，介绍了当前一些在用的深海导航定位技术。最后，对未来深海大型爬行机器人的发展趋势进行了展望。     

A study of increasing the precision of navigation position for submerged body

Currently, most submerged bodies use the long-baseline acoustic position system (LBL) to identify the navigation position for submerging. A precise navigation position is always the target pursued by underwater technology. The conventional long-baseline acoustic position systems normally use Kalman filter correction to handle the problem of positional errors. This article proposes a new modification, which is based on the periodically measured actual navigation distance, and associated with the three-dimensional geometrical relations between the transponder on the seabed and the navigation distance. This new modification employs the iterative approximation to modify the errors of the measured navigation position from the conventional long-baseline acoustic position system. In order to verify the availability of the modified model by the essay, the study uses the navigation position for an underwater surveying submerged body as the study object. After the numerical simulation analysis, the result shows that the modification was presented by the article can only use very few iterations to precisely modify the errors of the measured navigation position from the conventional long-baseline acoustic position system, which is highly applicable for positioning in long-term and long-distance submersion. Moreover, the modification method proposed by the paper can also help submersion positioning for the underwater vehicle, as well as the military submerged body.     

Acoustic Theory Application in Ultra Short Baseline System for Tracking AUV

The effective tracking area of ultra short baseline (USBL) systems strongly relates to the safety of autonomous underwater vehicles (AUVs). This problem has not been studied previously. A method for determining the effective tracking area using acoustic theory is proposed. Ray acoustic equations are used to draw rays, which ascertain the effective space. The sonar equation is established in order to discover the available range of the USBL system and the background noise level using sonar characteristics. The available range defines a hemisphere like enclosure. The overlap of the effective space with the hemisphere is the effective area for USBL systems tracking AUVs. Lake and sea trials show the proposed method's validity.