INS-USBL組合導航技術研究.pdf

1、慣性導航依靠慣性測量單元和其它配套設施，提供姿態(tài)、速度和位置等非常完備的導航信息，短時間精度高，與外界不發(fā)生任何聲光電信號的聯(lián)系，隱蔽性好，常用作導航系統(tǒng)的主導航設備。在不透明的水域中，不管是光波還是電磁波，它們在傳播途徑中能量衰減都很大，其傳播距離很是有限;但聲波在海水中的衰減率小、傳播性能好，比光波、電磁波更契合水下定位對信息載體的嚴苛需求。在進行水下定位時，綜合采用INS/USBL組合導航系統(tǒng)，既能克服純慣性導航系統(tǒng)誤差積累問題，

2、又能適用于水下導航定位的特殊環(huán)境，為水下載體和目標提供高精度的導航信息。本論文擬定基于倒置的超短基線聲學基陣，研究慣性導航系統(tǒng)與超短基線定位系統(tǒng)的松組合和緊組合技術，主要研究內容如下:
　　1、對若干常用的運動參數(shù)，坐標系及其轉換關系進行說明定義，依據(jù)牛頓力學定律等理論，推導出慣性導航系統(tǒng)的數(shù)學解算流程;為了分析INS的誤差特性，建立INS誤差方程。接著，研究超短基線定位系統(tǒng)基于相位差的定位原理，結合最小均方誤差算法設計出自適應相

3、位差估計器的原理框圖;針對若干誤差項，研究USBL的誤差特性，分析并補償其定位誤差。
　　2、基于聲波往返傳播時間（RTT）和平面波近似方法求解出應答器相對于USBL的定位位置，為后續(xù)建立系統(tǒng)的數(shù)學模型奠定基礎。研究卡爾曼濾波的基本理論及其濾波流程，在前文INS誤差方程和USBL導航解算方程的基礎上，以位置差為觀測量，建立INS/USBL松組合導航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾性，設計INS/USBL緊組

4、合技術，它考察了USBL的原始斜距、斜距差以及聲學基陣的空間分布信息，其中的誤差較為簡單易于補償，對組合導航算法更有益。
　　3、為了更深一步地提高組合導航系統(tǒng)的導航精度，研究非線性濾波方法—EKF和UKF算法，推導了EKF算法中非線性狀態(tài)方程和量測方程線性化過程;依據(jù)UKF算法的基礎—Unscented變換過程，完成UKF算法的實現(xiàn)流程設計。進行數(shù)值仿真，仿真曲線和數(shù)理統(tǒng)計表格表明線性和非線性的INS/USBL組合導航技術均能夠