基于航跡的單點應(yīng)答器測距AUV組合導(dǎo)航定位技術(shù)研究.pdf

1、在油氣、礦產(chǎn)、勘查等海洋開發(fā)活動中,水下潛器的導(dǎo)航定位起著十分重要的作用,而如何實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長時間范圍內(nèi)的高精度水下潛器導(dǎo)航定位就已成為一個亟待解決的問題。本文針對實際項目需求采用基于航跡的單點應(yīng)答器測距AUV組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)能在定位精度和作用區(qū)域范圍上獲得較大的提高和擴(kuò)充,而且系統(tǒng)整體的成本也得到了降低,是一種較為理想的定位方法。
　　首先,分析了基于GPS信號、母船尾隨跟蹤、聲學(xué)等現(xiàn)有的水下導(dǎo)航定位常用方法,從定位精度、操作范

2、圍、應(yīng)用領(lǐng)域、輔助設(shè)備、工作原理、經(jīng)濟(jì)成本多方面分析,說明了使用單點應(yīng)答器測距(Single-UTP)和超短基線測向(Bearing-only USBL)組合方案的必要性。
　　其次,對導(dǎo)航定位中常用坐標(biāo)系給予了介紹,并建立了坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。分析了單點應(yīng)答器測距和超短基線測向的水下定位原理及各自存在的不足,并在此基礎(chǔ)上建立了測距—測向組合水下定位的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。闡述了聲信號在深海中傳播路徑彎曲現(xiàn)象對水下定位的影響。
　

3、　再次,為了改善導(dǎo)航定位精度構(gòu)建了深海聲路徑彎曲模型,可得到較為精確的問答往返時間與測向信息。對系統(tǒng)量測信息采用數(shù)據(jù)預(yù)處理的措施以提高數(shù)據(jù)集中度和符合度。從適用對象、估計精度及計算量,對比分析了標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼、擴(kuò)展卡爾曼和無跡卡爾曼濾波算法,選取基本卡爾曼濾波器(KF)來實現(xiàn)水下導(dǎo)航定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)估計并利用其本身設(shè)計了野值處理程序。
　　最后,建立了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和單應(yīng)答器測距—測向定位量測方程。當(dāng)僅利用單應(yīng)答器純測距定位時,

4、需要在航跡上多個位置點與應(yīng)答器進(jìn)行通信,來獲得潛器和海底應(yīng)答器之間的水平距離,通過多組距離方程可解算出潛器位置的相對坐標(biāo)。經(jīng)仿真分析,該方法是以潛器速度、航向誤差較小為前提的,多數(shù)情況下定位精度并不樂觀。當(dāng)僅利用單應(yīng)答器純測向定位時,同樣需在多點對應(yīng)答器測向,來獲得海底應(yīng)答器相對于潛器的方位信息,由此可解算出潛器的相對位置。經(jīng)仿真分析,該方法的定位精度不僅與方位估計精度有關(guān),還與水下潛器的航跡有關(guān)。要想得到較好的精度,必須對潛器航線進(jìn)行