水下导航定位技术研究进展

由于海水介质对电磁波的强吸收屏蔽效应影响，水下潜航器的隐蔽航行使得对其进行水下导航定位成为一个难点和热点研究方向。现有水下导航与定位技术以惯性导航传统自主导航技术为主体，围绕修正惯性导航产生的累积误差问题，发展形成了航位推算导航、地球物理匹配导航技术、水声导航技术等多种辅助导航技术。系统地介绍了这些水下导航技术及其组合方式的基本原理、主要特点及研究进展，并对未来水下导航技术发展趋势和应用进行了展望。     

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INS/DVL/GPS的UUV组合导航技术分析

水下组合导航是 UUV 完成长航时水下自主航行和任务的技术保障和基础,而基于 INS/DVL/GPS 的组合导航是当前 UUV 的主流组合导航方式,可解决导航误差随时间积累的难题,满足 UUV 长航时水下航行的要求。介绍了水下组合导航系统的结构和组成以及关键技术,并详细论述了初始对准算法、纯惯性解算算法、组合导航算法、DVL 标定算法和校准算法。     

AUV水下移动重力测量建模及误差分析

水下移动重力测量能够连续实施近水底的重力勘测,如使用自主水下无人航行器(AUV)还能允许水面母船同时执行多个任务,进而降低水下重力测量相关的高昂成本和准入门槛。研究了水下移动重力测量的基本原理和方法,建立了水下移动重力测量模型和相应的误差模型,重点分析了捷联式重力仪的传感器、姿态、位置、速度等误差源。讨论了达到 1 mgal 测量精度的可行性以及对水下定位设备的性能要求。 经计算,在重力传感器与捷联式航空重力仪一致,水声定位系统定位精度达到测量斜距的 0.5%,水压深度计测深测量精度达到 5 cm,多普勒计程仪测速精度达到 0.1 m/s 的情况下,可以确保水下移动重力测量达到精度要求。     

基于卡尔曼滤波的水下滑翔机组合导航研究

水下滑翔机定位与导航精度的提高对于其完成水下作业任务至关重要。水下滑翔机传统的定位方法是依托于GPS信息的航位推算,定位精度较低,不能满足按既定路径航行的导航要求。为此,本文提出了一种利用卡尔曼滤波的组合导航方法,该方法在传统航位推算技术的基础上采用卡尔曼滤波器融合惯性导航系统数据和深度计数据,得出深度的卡尔曼最佳估计值,以此代替传统航位推算技术中的深度计直接测量值,从而提高航位推算精度。基于该方法,进行了仿真分析,并通过样机水池实验验证了该方法的有效性。     

基于GPS的水下导航算法误差仿真研究

首先介绍了水下导航算法,采用GPS和水下参量测算相结合的方案,即当运行器在水下运行时,利用电子罗盘测量运行器的相对航向,水流传感器测算运行器的相对速度大小,利用学习阶段计算出海水流速,在水下运行器潜行时进行船位推算导航,用GPS精准的定位信号进行导航误差的校正。此算法精度的高低很大程度上取决于用来进行水下参量测算的传感器和用来方位校准的GPS。文中从各个传感器的误差着手,通过模拟仿真详细分析了电子罗盘、水流传感器和GPS的误差对导航精度的影响,对工程应用具有实际的指导意义。     

重力辅助匹配惯性导航系统研究

常规的航位推算方法无法满足水下潜器长时间工作的导航要求,惯导设备的定位误差随时间积累,重力异常数据和重力梯度数据进行匹配辅助导航可以连续的对惯性导航系统积累误差进行校正。 文章介绍了利用重力辅助惯导的思想和原理,对重力辅助惯性导航进行了讨论,建立包含重力异常/ 重力梯度数据的 Kalman 滤波算法,并采用改进的 ICCP 算法对重力异常匹配导航进行了模拟试算,结果表明在现有的技术条件下,重力辅助匹配导航能够胜任水下航行的工作任务,保证长航时的水下定位精度。     

基于单水声信标距离量测的匹配定位方法

水声通信和测距能力是实现水下航行器准确定位的重要技术手段。当前基于水声定位的方法主要有利用测距和测向功能的水声定位技术以及水声测距辅助导航技术，二者的系统物理复杂度都比较高。本文提出了一种基于单水声信标距离量测的匹配定位方法，航行器在水声信标测距覆盖范围内，利用航行过程中多次测距信息构建测距圆序列形成位置约束，基于航位推算导航信息，将航行器在连续测距时间段内的相对航迹在圆序列上进行最优匹配，从而获得位置估计，通过对测距误差进行补偿可进一步提升定位精度。本方法所需物理系统结构复杂度低、可操作性强，仿真实验表明，该方法可以独立实现较高精度的定位。     

多传感器组合导航系统研究

为了满足水下航行器高精度导航定位的需求,建立了多传感器组合导航的系统模型。针对信息融合过程中出现的非线性环节,在传统联邦滤波器的基础上,提出了基于粒子滤波的混合联邦滤波器。其中,线性子系统采用卡尔曼滤波算法进行滤波估计,非线性子系统采用粒子滤波算法进行滤波估计。计算机仿真分析表明,该混合联邦滤波算法能够将线性和非线性子系统的滤波结果很好地融合起来,提高了组合导航系统的定位精度。     

基于罗经/DVL/水声定位系统的水下组合导航方法研究

针对基于罗经/DVL航位推算系统位置误差积累的问题,研究基于罗经/DVL/水声定位系统的水下运载体组合导航定位方法,设计了组合导航方案,建立了基于航位推算系统的误差方程,在此基础上引入水声定位系统的位置量测信息,设计了卡尔曼滤波器,实现了罗经/DVL/水声定位系统的信息融合。最后对研究的方法进行了计算机仿真和半物理仿真实验。实验结果表明,该方法抑制了航位推算系统位置误差发散,且减小了水声定位数据波动幅度,实现了水下运载体的高精度导航定位。     

水下拖曳航行器水动力和拖缆姿态仿真分析

水下拖曳航行器是被广泛应用的水下监测平台。为掌握水下拖曳航行器的水动力及其拖揽姿态，文章通过CFD仿真分析计算其零攻角下的阻力系数，并通过多刚体-球铰模型建立其运动数学模型，分析不同航速下拖曳系统的总拉力、拖缆长度和航行器位置等的参数变化。研究结果表明：随着船舶航速的变化，拖曳系统各项参数变化的差别很大；在200 m深度时，6 kn航速相比4 kn航速的总拉力增加73%，而所需的拖缆长度仅增加1%。该数学模型可对不同航速下的水下拖曳系统的总拉力和拖缆姿态等做出预测，为拖曳系统设计提供技术支撑。     

UUV定深控制模型参数优化设计方法

合适的控制模型参数能够保证被控对象在较快的响应时间和较小的超调量下达到控制目标,无人水下航行器定深控制模型参数的优化设计对提升水下航行器使用性能具有重要意义。首先,建立了水下航行器空间运动学方程,基于 Modelica 建模语言构建了航行器虚拟样机及其定深控制模型。然后,以响应时间和超调量最小为优化目标,采用非支配排序差分进化算法建立了水下航行器定深控制模型参数多目标优化流程,基于 OPTIMUS 平台构建了水下航行器定深控制模型参数优化设计工作流。以某水下航行器为对象的实验结果表明：所提方法可快速获得较优的 PID 控制模型参数,优化后的水下航行器定深运动控制特性显著改善。     

基于分布式控制力矩陀螺的水下航行器轨迹跟踪控制

基于控制力矩陀螺群(CMGs)的水下航行器具有低速或零速机动的能力。采用基于分布式CMGs的水下航行器方案,并研究其水平面的轨迹跟踪控制问题。通过全局微分同胚变换将非完全对称的动力学模型解耦成标准欠驱动控制模型,并根据简化的模型构建其轨迹跟踪的误差动力学模型,将轨迹跟踪控制问题转化为误差模型镇定问题。基于一种分流神经元模型和反步法设计了系统的轨迹跟踪控制律,该控制器不需要对任何虚拟控制输入进行求导计算,且能确保跟踪误差的最终一致有界性。仿真结果表明该控制器能够实现在不依赖动力学参数先验知识的情况下对光滑轨迹的有效跟踪。     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

基于卫星的水下载体实时水声定位模型

为适应水下载体高精度实时导航定位的需求,提出了基于卫星导航定位的浮标水声定位系统定位模式,主要讨论了长基线固定浮标定位系统和超短基线单体智能浮标系统的工作原理和点位计算模型,分析了水声定位系统定位的准确度和误差源,对促进全球海域实现全天候高精度完全水下自主定位具有一定的指导意义。     

水下滑翔器运动控制与自主导航策略

水下滑翔器嵌入式控制系统采用Philips公司的LPC2478为主控芯片,搭载多路高精度传感器以及伺服执行系统。通过对水下滑翔器的结构分析,构建出水下滑翔器的动力学模型,采用神经网络PID控制算法调节动力学模型中的俯仰角和横滚角,实现水下滑翔器在水下运行时的姿态调节与航迹控制。引入高斯大地线算法,分析处理经纬度坐标与航向角数据,计算得到水下滑翔器的航行距离与航向角偏差数据,从而控制伺服系统实现导航控制。同时,鉴于水面环境与水下环境的差异,为提高水下滑翔器的导航精度,引入水下航位推算算法,推算出水下滑翔器在水下的航向与姿态角,提高其在水下运行的精确度。     

AUV自主导航航位推算算法的分析研究

地球形状的不规则性,各种导航传感器本身的误差,以及仪器的安装偏差等,使得AUV(自治水下机器人)在进行远距离自主航行时,自主导航的精度大大下降。针对以上问题及实际工程需要,论文对AUV自主导航的航位推算算法做了进一步研究并加以改进,以提高其自主导航精度。最后,利用2004年中国科学院沈阳自动化所水下机器人研究中心进行AUV湖试所获得的数据,对文中提出的算法进行了验证。结果表明,AUV的自主导航精度得到大大提高,可以用于修正原来的自主导航算法。     

基于MATLAB的自主水下航行器经典控制算法仿真分析

针对自主水下航行器在水下航行中的姿态控制问题,采用经典控制律的数学模型,依据总体参数和流体动力参数,代入到下航行器纵向运动微分方程组中,通过 MATLAB 自编程序运用龙格库塔法求解此微分方程组,并将经典控制方程(算法)引入到微分方程组的求解当中,其仿真分析结果验证和支持了自主水下航行器的湖上试验,为某自主水下航行器项目实航演示样机的研制提供理论支持,具有一定的工程参考价值。     

基于非线性滤波的水下地形辅助导航方法

为了解决水下航行器惯性导航误差随时间积累问题,利用地形辅助导航技术进行导航位置修正。由于水下地形的非线性,对基于扩展卡尔曼滤波(EKF)、无迹卡尔曼滤波(UKF)和粒子滤波(PF)3种非线性滤波方法的水下地形辅助导航算法进行研究。针对传统基于单波束声纳量测模型在小起伏地形区域导航精度低、易发散问题,从提高量测地形信息量角度,建立了基于多波束测深声纳的量测模型。使用多波束实测地形数据进行仿真试验,结果表明:无论在粗糙地形区域还是较平坦地形区域,多波束量测模型有效缓解了3种方法易发散问题,提高了导航精度。     

水下导航定位技术在大洋科考调查中的应用

水下声学定位、惯性导航定位、多普勒声纳以及组合导航定位是目前我国大洋科考调查工作中的几种主要水下导航定位技术。通过分析常规调查装备、ROV、AUV和载人潜水器等4类主要水下科考设备的导航定位系统实测数据,给出不同水下导航定位模式的现场作业精度,为我国大洋科考调查工作中水下导航定位技术的选择与应用等工作提供参考。