水下载体SINS/USBL组合导航滤波方法研究

捷联惯性导航系统(SINS)具有短期定位精度高的优点,但其定位误差随时间发散,超短基线(USBL)在其有效工作范围内定位误差不发散,且由于受作用距离及复杂水下环境的影响,其定位数据不连续,离散度大,野值多。水下载体导航采用SINS/USBL组合导航,可充分发挥各自的优势。根据USBL量测信息的特性,给出了一种基于改进的带观测噪声时变估计器的Sage-Husa自适应Kalman滤波方案,经实物数据仿真验证了此滤波方案的有效性。

复杂水下环境下高精度SINS/USBL误差标定技术

针对SINS/USBL组合系统在导航与定位前需要对一体化样机进行精确标定的问题,对复杂水下声场环境下高精度SINS/USBL误差标定技术展开了研究,包括对安装误差角和空间杆臂误差的估计。基于标定模型的几何关系,推导了标定的状态方程和量测方程,并提出了新型的基于相对量测信息滤波估计的误差标定技术。为解决标定过程中由于存在声学野值而导致滤波估计性能下降的问题,通过高斯牛顿迭代将Huber M估计嵌入到变分贝叶斯框架中,推导了基于M估计的非线性鲁棒自适应标定算法,在精确校正后无需重复标定。仿真的结果验证了该方案的有效性、实用性和鲁棒性。

USBL技术在大型抓斗水下定位的应用研究

针对大型抓斗船抓斗水下三维定位这一工程技术难点,对比研究了多种定位方法,选定了采用超短基线声学定位系统USBL实现抓斗的水下定位,介绍了该系统需要的适应性改造,对设备的型号选择、安装位置、安装方式及系统使用过程中影响定位精度的主要因素、减小误差的方法进行了分析。

USBL定位精度简易测量方法

阐述了USBL水下定位系统的组成、系统定位原理、安装及方位校正,指出USBL水下定位系统能够为海洋开发和海洋工程建设提供很高的水下定位精度。

水下复杂环境下基于SINS/USBL/DVL多源信息融合的组合导航算法

针对复杂水下声场环境下高精度、长航时导航与定位的需求,构建了捷联惯性导航系统(SINS)/超短基线(USBL)相对测量信息的观测方程和SINS/声学多普勒测速仪(DVL)的观测方程,提出了一种融合SINS/USBL/DVL多源信息的组合定位算法。为解决声学量测信息不确定引起的导航性能下降的问题,充分考虑水声野值所导致的厚尾噪声特性,利用学生t分布推导了基于状态估计的鲁棒自适应滤波算法,提高了水下航行器组合定位的精度和鲁棒性。通过海上试验验证了所提算法的有效性和优越性。

超短基线(USBL)定位系统误差分析

USBL(超短基线)是一种水下定位技术,目前被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面,主要用于确定ROV、ads、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。在水下定位作业中,USBL水下定位系统到底有那些误差影响其定位精度一直困扰着测量人员。因此本文对对USBL的误差来源进行了分析。

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。

一种基于集中滤波的SINS/DVL/USBL水下组合导航算法

针对水下运载体的长时间高精度导航问题,提出一种基于集中滤波的捷联惯性导航系统(SINS)/声学多普勒测速仪(DVL)/超短基线(USBL)水下组合导航方法,建立了杆臂在线估计的SINS/DVL速度观测模型和SINS/USBL相对量测信息观测模型,并利用参考信息判定结果实时更新量测方程及维数,既能保证精度,还能一定程度上减少运算量。理论仿真和湖面试验表明,本算法能够实现长时间高精度的水下导航定位,具有可行性。

基于USBL/GPS/TCM的AUV组合导航研究

针对自主无人水下潜航器在执行任务时面临导航手段少、传统航位推算存在定位误差漂移、单一导航方式不足以满足执行水下精确任务的要求等问题,提出了一种基于超短基线水声定位系统、全球卫星定位系统和磁罗盘等传感器组合导航的方法,并对其中涉及的坐标转换进行了详细说明。利用卡尔曼滤波对潜航器的位置进行估计,以获取控制和导航所需的位置信息及速度信息,不存在定位漂移问题,导航定位精度优于10 m,满足自主无人潜航器在水下长时间执行任务的要求。该方法在自主无人水下潜航器上进行了试验验证。

海洋地震勘探中USBL定位数据分析及处理

本文主要讲述在海洋地震勘探中USBL定位数据的分析及处理方法,通过大量的USBL定位数据建模分析,针对分析结论研究处理方法,并将算法细分为各个步骤,逐步演示处理过程,最终将USBL定位数据提取、优选、约束、平差后计算后得到节点位置坐标。使用LBL定位结果与USBL定位结果进行对比验证,通过真实有效的数据来验证其处理流程、算法的实用性、计算结果的可靠性,得出影响USBL定位结果精度的几个重要因素。

USBL定位系统目标模拟软件的设计与实现

超短基线(Ultra Short Baseline,USBL)定位系统是一种用于对水下目标进行定位的多传感器系统,融合了声学换能器基阵、罗经、GPS等,通过对各传感器的观测数据进行综合处理来获取水下目标的大地坐标。为在实验室环境下对USBL定位系统的定位误差进行测试以及检查维护,开发了基于Labwindows平台的目标模拟器软件。该软件能够实现以下功能:(1)读取仿真信号数据文件或外场实验数据文件;(2)将从文件中读取出的数据发送给USBL定位系统的解算单元;(3)将解算单元的定位结果通过显控界面显示。测试结果表明:该软件对各传感器的模拟情况良好,满足实际需求。

基于因子图优化的紧耦合INS/USBL/DVL导航方案

针对水下环境复杂,传感器异常值较多,传统卡尔曼滤波定位方法难以实现精确定位的问题,提出一种基于因子图优化(FGO)的紧耦合INS/USBL/DVL方案和核心融合算法。采用FGO方法构建紧耦合INS/USBL/DVL因子图模型,加入粗差检测函数调整各因子的权重,从而提高水下传感器信息利用率,改善了水下导航精度及可靠性,并通过仿真及湖泊试验证实了该方案的合理性。结果表明,所提出方法相比于KF-LC、KF-TC和FGO-LC方法,水平位置精度分别提高了29.2%、6.6%和13.2%,且在出现异常传感器信息时有较为平顺的导航误差表现。

海洋地质调查中USBL技术以及应用

测站调查中设备的定位是海洋地质调查的一项重要技术，调查设备的位置信息是作业过程中的重要参考，传统的船舶定位精度较差，尤其在较深的海域和复杂的海况下定位精度下降更为明显，而水下定位系统可弥补传统定位的不足。文章首先介绍了传统船舶定位和USBL定位的工作方法，然后分析了同等作业环境下两种方法的定位精度，通过对比分析得出船舶定位法在较差的作业环境下误差较大，不能完全满足作业需求，而USBL定位的精度和可靠性较高，本着科学研究的严谨性，应在海洋地质调查中得到更为广泛的应用。

一种新的水下宽带信号解模糊定位方法

提出了一种新的水下宽带信号的超短基线SUBL解模糊定位方法,分析了近体多径对解模糊的影响,在此基础上建立一种新的相关峰模型,从相关结果中选取匹配数据段与本地新的局部相关峰模型进行匹配。根据匹配结果估计初时延。相位改用第一个过门限点处相位,并用初始时延迟消解相位模糊,得到高精度的时延估计,从而进行稳定定位。相比于传统算法,本文算法能大大提高存在近体多径时解模糊的正确率。通过仿真分析,本文仿真结果表明算法在0.7倍近体多径情况下,本文算法解模糊的正确率达到了100%。在湖试中本文算法的解模糊正确率达到了95.2%。

基于超短基线的UUV伴随式跟踪系统及应用

随着各国对海洋重视程度的不断提高,无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)凭借其机动、隐蔽、低成本的特点而备受关注。在UUV的作业过程中,实时获取UUV的航行状态,对评估并改进UUV性能具有重要意义。主要开展基于超短基线(Ultra-Short Baseline,USBL)的UUV伴随式跟踪系统研究,仿真分析了USBL伴随系统的定位性能,并开展海上试验,试验结果表明,提出的基于USBL的UUV伴随式跟踪系统能够连续、稳定测量UUV在水下的位置。

基于应答器位置测量的AUV非线性模型预测对接控制

针对搭载超短基线(USBL)声学定位系统的全驱动自主水下航行器(AUV)的自主回坞控制问题,提出一种基于应答器位置测量的回坞预测控制算法。首先用体坐标系下的应答器位置测量定义回坞对接误差,基于Jacobian矩阵描述应答器位置测量与AUV速度之间的运动学关系,建立非线性对接误差模型。采用非线性模型预测控制求解对接控制问题,产生航行器速度指令。然后设计自适应速度控制器实现对速度指令的全局渐近跟踪。最后采用REMUS AUV的模型参数进行了仿真研究,结果验证了方法的有效性。

面向OBS布设与定位回收的船舶导航系统研究

针对海洋勘探中对OBS精确布阵的要求,综合利用USBL水下定位技术、DGPS定位技术、GIS技术以及网络通信技术,研究专业面向OBS布设、精确定位与回收的船舶导航系统。介绍了系统的结构和功能,分析了系统的主要特点,并探讨了该系统的关键技术。目前该系统已应用于生产实践,实践表明:系统能够有效提高OBS布设、定位的精度和效率。

单海底应答器声学导航及应答器绝对位置校准

给出了一种局部海域潜器高精度声学定位导航方法。该方法利用安装在潜器上的超短基线（USBL）定位系统和锚定于海底的单只应答器构成定位导航系统,为潜器在局部海域提供高精度定位导航,系统复杂性和操作难度低,可靠性高。为提高应答器绝对位置的校准精度,提出了一种声线弯曲修正方法。2006年中国南海试验表明,试验系统可对锚定于3700m海深的海底应答器精确校准,并且利用校准后的应答器为对安装有精度为0.5%斜距的超短基线的水面船进行导航,导航精度为25m。

一个无线数据采集系统的设计与实现

在工业控制领域 ,常常需要采集大量的现场数据 ,然后传输给主机进行处理。而目前数据传输通常使用的是RS485或者是 CAN等网络。这些网络均基于有线传输 ,他们在使用中不仅要考虑成本因素 ,还要考虑数据传输中的干扰因素。而无线传输相对具有一定的优势 ,成本相对低 ,并且传输中的干扰也较少 ,这也在一定程度上提高了传输的可靠性。设计了一个基于 PTR2 0 0 0无线传输模块的数据采集系统。该实例对其他相类似的无线数据采集、无线数据传输应用具有一定的参考价值。

机器人ROV在海洋工程水下施工中的应用技术研究

海洋石油资源潜力巨大。当我国近海石油开发逐步由浅水渤海区域转向东中国海和南中国海深水区域（100～300m）时，油田开发水下设施的安装与检修以及潜水员水下作业（饱和潜水）的难度随之增加。因此，一种能够部分替代潜水员从事水下作业的机器人（简称ROV）便应运而生。近几年来，ROV以其经济性好、下水出水灵活性高、环境条件适应性强等优点，业已受到石油工作者的广泛关注。本文以工程实例，阐述ROV在水下工程中的应用技术。