一种单信标测距辅助INS的导航方法

传统基于地球物理场的匹配辅助惯性导航方法在基础数据变化特征不明显或数据缺乏等苛刻条件下,难以实现有效匹配定位。为解决这一问题,提出了一种单信标测距辅助惯性导航系统(INS)的方法。首先,在单信标测距解析基准图上引入相关极值匹配辅助导航算法并进行重新建模。然后,采用差分进化寻优算法对该模型进行解算,并设计了一种固定匹配序列长度的建模方法以解决相关极值匹配算法实时性差的缺点。所提方法在缺乏地球物理基础数据条件下,仅需在海底布放单只声信标即可实现局部海域水下高精度实时定位。同时,由于采用的测距基准图为解析形式,所提方法也能较好地解决离散匹配算法定位精度受限于基准图分辨率等问题。最后,设计了相关实测实验,实验结果表明当惯导定位误差累积为1529.4 m时,采用所提方法与单信标匹配,定位误差减小为111.8 m,算法的有效性得到了验证。

基于概率图模型的单信标定位算法研究

随着人类对海洋认识的逐步深入,水下目标的位置信息成为了一种不可或缺的水下信息源,传统的水下定位方法已经不能满足不同场景的应用需求。无论是在测量信息多元化时的多元信息融合定位,还是测量信息不足时的时域信息联合定位时均存在局限性。为此文章提出了基于概率图模型的单信标定位算法,在信标稀疏或者信标通信信息缺失的情况下,通过联合目标时域上其他位置时刻的所有量测信息,从而实现目标定位。此外文章还分析了模型分辨率和测距误差对定位结果的影响,并通过湖试验证概率图方法的有效性,证明其能够在传统定位方法无法使用的单信标的定位跟踪过程中,估计出每一时刻目标的位置,描述目标的运动轨迹。平均定位精度达到1.203 5 m。

水下单信标导航航路规划和最优航路接近方法

相比于传统的长基线和超短基线等导航方式,水下单信标导航具有布放简单的优点,但其导航精度有待进一步提高。为此,提出了单信标导航的航路规划方案,通过泰勒级数展开推导了水平位置精度因子的表达式,并分析了导航点和声信标的相对几何位置关系对导航精度的影响,最终提出了航路规划方案。在此基础上,还提出了自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)从其他位置接近最优航路的方法,包括两部分:一是建立以时延为观测量的滤波模型,利用滤波算法实时获取AUV的位置估计值;二是基于可观测度分析结果对最优航路接近过程的轨迹进行了设计。二者的结合使得AUV高效率且高精度地逼近最优航路。仿真证明了采用所提出的航路规划方案和最优航路接近方法可以提高导航精度,航路规划方案使得AUV位置估计的均方根误差近似为2 m。

基于改进扩展卡尔曼滤波的AUV单信标定位研究

为提高标准扩展卡尔曼滤波算法在自主水下航行器(AUV)单信标定位应用中的精确度,提出融合遗忘因子和多新息的改进扩展卡尔曼滤波算法。首先,建立单信标导航4状态量-3观测量状态空间方程;然后,在AUV位置解算时,以多新息取代标准扩展卡尔曼滤波(EKF)中的单新息,从利用当前时刻数据转为借助多个历史时刻数据更新。在此基础上,引入遗忘因子削弱历史数据误差累积,防止数据饱和现象,实现AUV位置状态的准确估计。仿真结果表明,改进算法的定位准确性和稳定性显著提升,相比于标准扩展卡尔曼滤波算法,最大定位误差减少了2.352 2 m,定位误差平均值减少了0.856 4 m。

基于单信标测距的水下导航系统可观测性分析

导航问题是发展自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)所面临的难题之一。针对单信标测距导航方法中的系统可观测性问题,文章通过建立AUV的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了导航系统关于AUV三维运动路径的可观测性条件,在此条件下实现了对AUV运动位置的在线估计。仿真结果表明,对于满足导航系统可测观性的运动路径,AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。

AUV直线航迹下的单信标测距定位

常规的单信标测距定位基于的是非直线航迹,本文针对直线航迹下的单信标测距定位进行了研究。同时对于直线航迹,常规的直接降阶求解的算法已不适用,提出线性化迭代求解的算法对载体进行定位。另一方面,引入长基线阵列的概念,从构建虚拟阵列的角度,研究了不同误差源对虚拟阵列的影响。仿真分析了虚拟阵列基线总长度对定位影响、虚拟阵列信标个数对定位影响,以及载体相对于信标在不同位置时的定位精度分布。海试数据结果表明:所提出的线性化迭代求解的定位算法能获得较好的定位效果,单标定位结果与组合导航偏差在5 m之内。

单信标测距AUV水下定位系统观测性分析

针对基于单信标测距的自主水下航行器(AUV)定位系统观测性问题,建立AUV三维空间运动学模型,选取实物平台常用的深度、偏航角和俯仰角作为基本观测量辅助距离信息进行水下定位,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析不同辅助测量值下系统的可观性以及控制输入和运动路径对可观性的影响。研究结果表明:满足定位系统可观测的最简量测组合为距离值和偏航角,含有偏航角的辅助量测组合均使得定位系统可观测,系统控制输入和运动路径的变化会导致可观性发生变化。

系数矩阵正定的单信标测距定位算法

基于单信标测距的定位方法是水声定位技术的进一步发展,该文对直线航迹下的单信标测距定位进行研究。一方面,对于直线航迹,常规的直接降阶求解的算法已不适用。另一方面,水下载体的直线航迹或者直线航迹的延长线经过信标时,线性化迭代求解的算法不能够对载体进行定位。系数矩阵几乎奇异或者坏条件时,方程的解算结果误差会明显增大。该文针对前述解算方法存在的问题,提出一种改进的单信标测距定位解算方法,适当增加对角元使得系数矩阵正定,克服系数矩阵奇异或者坏条件时所带来的影响。仿真结果表明:该文算法大部分的情况下定位精度和高斯牛顿法一样;水下载体的直线航迹或者直线航迹的延长线经过信标时,该文算法同样能够实现定位解算;在线性化迭代的低精度区,该文算法能非常明显地提高定位精度。通过海上试验,进一步验证了该文算法的有效性。

单信标水声定位技术研究现状及应用展望

针对未来水下载体长航时、远距离和高精度的定位需求,分析了传统长基线和超短基线等传统水声定位技术应用特点,指出了单信标水声定位技术在全球海域定位中的应用优势。详细介绍了基于虚拟长基线与位置跟踪两大类单信标水声定位方法及其研究进展,概括分析当前单信标水声定位技术现状,并结合水下定位、导航及授时体系建设需求,对单信标水声定位技术应用前景进行展望。

单信标距离测量的AUV导航方法

针对单信标测距导航方法中的系统可观测性和洋流干扰问题,通过建立自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了系统关于AUV运动路径的可观测性条件,并采用扩展Kalman滤波导航算法实现了对AUV的位置和未知洋流的在线估计.仿真结果表明,对于满足系统可观测性的运动路径,该导航方法可有效抑制洋流干扰下系统的定位误差增长,使定位误差保持有界,并对未知洋流做出较为准确的估计.

一种利用单信标修正AUV定位误差的方法

针对配置有捷联惯导(SINS)/多普勒速度仪(DVL)/深度传感器组合导航定位系统的自主水下航行器(AUV)的定位误差随时间增大,以及采用GPS修正定位误差引起的AUV隐蔽性降低等问题,提出了一种利用水下固定单信标修正SINS/DVL/深度传感器组合定位误差的方法。该方法首先利用水声测距原理测量出AUV与水下固定单信标的距离,然后基于空间几何关系计算出AUV的实时位置,最后通过卡尔曼滤波连续修正AUV的定位误差。仿真结果表明,该方法可以有效减小AUV的定位误差,有较好的工程应用价值。

基于单信标的水声定位信号设计及捕获算法研究

基于单信标水声定位方法,提出了线性调频(linear frequency modulation,LFM)信号和扩频码组合的新型信号的设计方案,并针对LMF信号提出了基于分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform,FRFT)的信道估计和检测算法。结果表明,所提出的信号设计方案结构简单,检测方法直接有效,可直接确定多途径数,能量在最佳阶数时聚集,抗噪性良好,且利用调频斜率不变的性质,对接收信号无需再进行一维或二维搜索,较大降低了计算量。

乘性噪声背景下基于非线性渐消滤波的单信标测距定位算法

针对基于加性噪声模型的单信标测距定位算法不能精确表征距离观测量的实际特征,存在模型失配的问题,该文给出一种考虑乘性噪声特性的联合最小二乘法和非线性渐消滤波的两步定位算法。在分析有效声速误差与距离观测量乘性噪声内在联系的基础上,建立了乘性噪声背景下的测距误差模型,通过引入一种新的弱化因子计算方法对乘性噪声背景下带单重渐消因子的非线性渐消滤波算法进行了改进,利用基于最小二乘法的预定位过程解决改进算法对初值敏感的问题。仿真及试验数据表明该算法在水下航行器接近信标的态势下定位精度明显优于加性噪声背景下的扩展卡尔曼滤波算法。

水下单信标导航算法研究及置信区间分析

为了优化单信标导航算法中导航点的选取以提高导航精度,本文分析并比较了不同水下单信标导航算法的置信区间。考虑了3种典型的水下单信标导航算法:基于时延信息的单信标导航算法、基于方位角信息的单信标导航算法以及联合使用时延和方位角信息的单信标导航算法。本文首先基于偏微分矩阵建立了3种方法的导航误差和各测量误差的关系式,在此基础上利用导航误差的协方差矩阵分析了时延测量误差和方位角测量误差对3种方法导航结果置信区间分布的影响。此外,本文从水平位置精度因子和置信椭圆这2个角度对3种方法导航结果的置信区间的分布进行了比较。理论推导及仿真表明:时延测量误差和方位角测量误差基于导航点和声信标的相对几何位置关系影响置信区间的分布,且基于时延的单信标导航算法的导航结果和基于方位角的单信标的导航算法的导航结果具有互补的特性。

一种基于移动矢径的单信标测距定位算法

针对水下航行器利用移动单信标进行同步式测距定位时受初始位置误差和声速误差影响的问题,给出一种基于移动矢径的单信标同步式测距定位算法。参考移动矢径的概念建立了移动单信标测距定位模型,利用扩展卡尔曼滤波算法实现了定位滤波算法的设计。仿真和试验结果表明:本文算法可以有效减小初始位置误差带来的定位误差,并对未知声速误差进行实时估计,显著提高了水下航行器的定位精度。

基于单信标纯方位测量的AUV水下定位方法

在信标深度已知条件下,提出了一种基于单信标纯方位信息测量的自主水下航行器(AUV)实时定位方法,以解决单信标AUV水下定位中遇到的问题。不同于传统基于单信标测距信息方法,文中从坐标变换原理出发,构建了2自由度(2-DOF)姿态的AUV运动模型,推导了深度已知条件下纯方位AUV定位的状态空间模型,在所建立模型的基础上采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)进行求解,并针对EKF算法应用给出了一种滤波器调参方法,通过构建仿真试验对所提出方法进行了有效性验证,并将其与现有方法进行了对比分析。结果表明,在该仿真条件下,文中基于单信标方位观测模型的方法在滤波精度上要好于基于测距信息的方法,且收敛性能优于后者。

一种使用信号强度排序集合的单信标定位算法

为了满足室内高精度定位的需求,采用无线局域网物理层细粒度的信道状态信息来建立一个使用信号强度层次化排序集合的单信标定位算法。算法利用室内多径效应导致不同信道接收到的信道状态信息值不同的特性,来建立不同信道之间关系的指纹库,从而确定一个位置。实验结果表明仅仅使用单个信标的信道状态信息值的指纹定位算法的定位性能明显好于使用接收信号强度的定位算法,平均定位精度可以达到0.95m。

基于EKF的UUV单信标水声导航定位方法研究

文章描述了基于扩展卡尔曼滤波算法的水声导航定位方法,该方法可以对UUV(无人水下航行器)进行导航估计,有效减少导航定位过程中的累积位置误差;导航模型中信标与UUV时间同步,且信标以一定时间间隔,广播发送水声脉冲信号,UUV利用信号的传输时间延迟,确定与信标之间的相对距离;通过解算UUV与信标的相对距离,以及自身的航行速度、航向角等参数变量,利用扩展卡尔曼滤波算法,可估计出UUV相对信标的位置,通过优化算法,可以有效降低定位过程中的累积位置误差;仿真结果表明,该导航定位算法实现简单、导航精度高,对未来小型UUV导航方法有很好的实用价值。

基于单信标测距辅助SINS的中层水域导航算法

针对全球导航卫星系统和多普勒测速仪无法用于位于中层水域的深海潜水器的高精度导航定位问题,文中提出一种经济可行的中层水域导航算法。该算法基于单程到达时间机制测量已知位置的信标到深海潜水器的距离,并基于捷联惯性导航系统(SINS)误差传播模型和单信标测距模型设计扩展卡尔曼滤波器进行信息融合,从而实现利用单信标测距信息辅助SINS以抑制其误差发散。仿真结果表明,基于距离辅助SINS的中层水域导航算法能够获取误差不随时间累积的定位结果。此外,文中从解析可观测性的角度,对深海潜水器的静止和圆周运动轨迹进行了精度分析,且理论分析与仿真结果吻合。

单信标导航精度分析与航路规划

当今,精确导航已成为自主水下航行器(AUV)发展的关键技术之一。与传统导航方式相比,单信标导航具有布阵简单和成本低的优点,但是导航精度还有待进一步提高。文中基于偏微分矩阵,对导航精度进行了理论推导,分析了单信标导航方式对几种典型误差源的鲁棒性。并在此基础上进行了单信标导航的航路规划,给出了定位点优选方法及航路优化方法。最后,通过仿真试验验证了偏微分矩阵方法的正确性及航路规划方案的有效性。文中研究可为AUV精确制导提供参考。