基于改进Sage-Husa自适应滤波算法的SINS/DVL组合导航

捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)组合导航时需考虑量测数据异常问题。针对该问题,设计一种基于渐消因子动态调整的改进Sage-Husa自适应滤波。此滤波旨在解决自适应滤波估计量测噪声参数性能对渐消因子依赖性强的问题,提升DVL量测信息异常情况下的导航精度。实验结果表明,基于渐消因子动态调整的改进Sage-Husa自适应滤波,在DVL数据异常的复杂环境中仍可具有较好的信息处理能力,导航性能提高显著,实现高精度的组合导航,具有一定的研究与参考价值。

基于位置观测信息的Davenport四元数DVL标定方法

多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)能够实时为捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)提供外部速度辅助信息,准确稳定的DVL标定工作对提升SINS/DVL组合导航系统的性能具有重要意义。为有效解决此问题,提出了一种基于位置观测信息的Davenport四元数标定方法。在所提方法中,通过基于多普勒测速原理的位置观测推算标定刻度因子误差以减小速度量测噪声的不利影响,利用基于Davenport四元数方法的位置观测矢量方程解算标定安装角误差以增强旋转矩阵求解的稳定性。船载湖试结果表明,相比于现有方法,所提标定方法在简单和复杂的机动情况下均具有更高的准确度和更好的稳定性。

水下SINS/DVL组合导航误差抑制综述

为实现水下潜航器高精度长航时航行,基于SINS/DVL组合导航的误差抑制和校正技术是关键。对于DVL数据失效情况,介绍了不同的替代方法。比较了SINS/DVL组合数据融合常见滤波算法;从长航时导航误差抑制和校正角度,叙述了阻尼算法、地形辅助校正、重力匹配辅助定位、长基线系统辅助定位和重力扰动补偿等方法。可为水下潜航器SINS/DVL组合长航时导航误差抑制提供参考。

水下SINS/DVL组合导航技术综述

基于捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)相结合的组合导航技术近年来在自主水下航行器(AUV)导航上得到了广泛应用。文中简要介绍了水下SINS/DVL组合导航的基本原理、耦合方式和系统应用研究现状;详细论述了数据融合处理技术、标定技术和DVL数据失效处理技术等3个关键技术及其研究现状;最后,探讨了水下SINS/DVL组合导航技术的发展趋势及其将要面临的技术问题。文中的研究可为水下高精度组合导航研究提供参考。

AUV中SINS/DVL组合导航技术研究

针对水下自主潜器的特点,重点介绍一种采用捷联惯导系统与多普勒计程仪的组合导航技术。通过引入多普勒计程仪提供的绝对速度,提出了输出校正与反馈校正相结合的混合校正集中卡尔曼滤波方案,仿真结果证明该方案可有效提高系统导航精度。

基于改进自适应滤波的SINS/DVL组合导航算法研究

针对水下长航时捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)组合定位精度问题进行研究,提出了一种改进的自适应滤波的方法。建立了SINS/DVL组合导航模型,通过对比经典Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波在SINS/DVL组合导航系统应用时存在的问题,利用失准时的新息对先验状态均方误差矩阵进行自适应调节,解决DVL数据突变后新息协方差严重偏离实际的问题。进行了约10 h仿真试验,结果表明:当DVL噪声突然增加到原来的10倍时,改进的自适应滤波算法相对于经典Kalman滤波提高了精度,且性能优于改进的Sage-Husa自适应滤波。

基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航标定方法的研究及其误差分析

为了进一步提高自主水下航行器(AUV)捷联惯导(SINS)与多普勒计程仪(DVL)组合导航定位精度,需要准确标定出SINS与DVL之间的安装误差角以及DVL的刻度系数。论文系统的介绍了组合导航系统的标定方法和流程,最后分析了组合导航系统的误差来源。

基于可观测度反馈的SINS/DVL组合导航算法

针对捷联惯导/多普勒计程仪(SINS/DVL)组合导航中部分系统状态对无人水下航行器(UUV)导航精度影响较大但可观测性相对较弱的问题,提出一种基于可观测度反馈的SINS/DVL组合导航算法。该算法通过量化分析系统各状态参数的可观测性,根据系统状态参数在不同机动状态下可观测度不同的特点,构造基于可观测度反馈的自适应调节因子,增加高可观测度时的系统状态参数的估计占比,以此来提高组合导航滤波算法的适应性和滤波估计精度。利用湖试数据对上述算法的性能进行了验证。结果表明,可观测度反馈滤波算法累积误差明显小于常规卡尔曼滤波算法,在相同的精度要求下,可延长水下SINS/DVL组合导航自主航行的时间。

基于SUKF滤波的INS/DVL组合导航研究

惯性导航系统(INS)长时间自主工作存在误差积累,采用INS与多普勒速度计程仪(DVL)组合的方案导航。针对组合导航系统状态维数较高,采用算法实现和估计精度优于传统扩展卡尔曼滤波的尺度变换模式的UKF(SUKF)方法。仿真结果表明,采用SUKF滤波方法实现INS/DVL组合导航是可行的。

声学多普勒测速技术综述

速度信息是实现水下精确自主导航的重要参量之一。本文以海洋声学多普勒测速技术为对象,介绍了其研究现状、关键技术和发展趋势。首先将声学测速技术分为声学相关测速技术和声学多普勒测速技术;在此基础上,总结了声学多普勒测速信号处理方法、技术演化历程和国内外设备发展现状;讨论了声学多普勒测速的波形设计、误差标校、性能评价、系统检测等关键技术;最后对声学多普勒测速技术未来发展进行了展望,梳理了声学环境感知、一体化融合等趋势,为相关研究提供有益的参考和借鉴。

水下潜航器的惯导/超短基线/多普勒测速信息融合及容错验证

针对水下潜航器惯导系统的定位误差积累和容错性差等问题,分析了水声超短基线的相位差定位方法,推导了基于惯导提供实时位置、姿态误差角信息的惯导/超短基线(INS/USBL)导航解算过程及其坐标转换。结合惯导/多普勒测速(INS/DVL)滤波器,给出INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波在3种信息融合算法下的应用。通过MATLAB仿真对导航算法进行了验证,结果表明该导航算法能够抑制惯导系统误差随时间发散的问题,能充分利用了3种导航系统提供的参数信息,且状态维数低,滤波收敛速度快,其中基于精度因子信息分配方法的导航系统误差最小。容错性验证结果显示,当超短基线出现故障时,重构后的组合导航系统在较高航速情况下依旧能提供有效的导航参数。所提出的INS/USBL/DVL组合导航联邦滤波方法能够精确地提供水下潜航器的各位导航参数信息,且具有较高的容错性和稳定性。

宽带多普勒计程仪速度解模糊方法研究

为了解决宽带多普勒计程仪在较高速度下存在的速度模糊问题,建立了宽带多普勒计程仪的回波模型,分析了回波的自相关特性。在不改变系统结构的基础上,提出了采用回波自相关的第1个峰值位置的方法确定速度范围,并与复协方差方法结合实现无模糊地估计速度,从而解决测速模糊问题,同时提出采用三点相关插值算法估计自相关峰的位置。最后采用湖试数据分析和数字仿真证明了这种解模糊方法的有效性。

一种考虑洋流影响的AUV组合导航算法

针对由捷联惯导(SINS)、多普勒测速仪(DVL)以及深度传感器组成的自主水下航行器(AUV)组合导航系统,当DVL测量距离无法达到海底的情况下,洋流是该系统主要误差源之一的问题,在SINS/DVL组合导航算法的基础上,提出了一种在原算法中加入洋流信息提高系统导航定位精度的方法,并将以上两种导航算法解算出的AUV位置信息进行仿真对比,仿真结果表明:与未考虑洋流信息的算法相比,加入洋流信息的算法能够有效提高AUV的定位精度。

多普勒计程仪的数据平滑方法

多普勒计程仪输出数据中有局外数据,可能会导致组合导航系统中的卡尔曼滤波器发散。文章介绍了4种数据平滑方法:动窗平均、动窗加权平均、动窗中值滤波以及动窗稳健平均。仿真结果表明:动窗稳健平均的输出不会被多个局外数据所影响,并且其处理增益接近理论极限。

一种在较大初始数学平台误差角下提高AUV导航精度的新方法

如果发射冲击很大或者初始对准时间很短,可能导致自主水下航行器(AUV)中捷联惯导系统(SINS)的初始平台误差角比较大,特别是方位误差角大时,它成为影响AUV自主导航精度的重要因素。发射后利用捷联惯性测量组件(SIMU)和多普勒测速仪(DVL)的采样输出,同时实施航位推算(DR)和捷联罗经对准(GA)2种算法。当GA在短时间内水平调平后,直接修正DR的水平姿态角;当GA方位对准基本收敛后,计算GA方位与DR方位之间的方位误差,并借助于航迹相似性原理修正DR的方位角和位置,从而提高后续阶段的AUV导航精度。仿真结果表明,该方法可以修正由初始平台误差角造成的定位误差,但对与DVL有关的定位误差无效,修正后AUV定位误差下降到不修正的19.8%。

传感器安装误差在声学多普勒计程仪中的校准

为了利用声学多普勒计程仪(DVL)进行载体的航迹推算,DVL传感器的安装偏角误差不可忽视,必须进行校准。此误差是在载体上安装DVL声学传感器时引起的。不进行机械修正,而是借助安装在载体上的高精度全球定位系统(GPS)与姿态仪的信息,应用最小二乘法对此误差进行了在微小型系统中的校准。理论分析与试验结果说明了DVL经校准后航迹推算性能的提高,从而证明该校准方法的有效性。

水下捷联惯性组合导航数据处理系统测试平台

针对深海水下惯性组合导航系统研发与运行的需要,开发了多普勒测速仪/捷联惯性(DVL/SINS)组合导航数据处理系统的测试平台,介绍了测试平台的构成与实现,用构建在测试平台上的导航部件模拟器代替真实导航部件为被测系统提供输入信号,具有软、硬件结合的综合测试功能。实际应用结果表明,M-LVDS总线技术的应用使其具有实时性好、测试灵活的特点。

八波束相控阵换能器的研制

声学多普勒计程仪(Doppler velocity log,DVL)是一种能为水面或水下载体提供定位和导航信息的重要设备。传统的DVL通常采用Janus配置方式,向海底发射沿载体前后左右方向的4个波束,并利用多普勒频移来计算载体的速度。而对于传统相控阵DVL,阵元布阵间距通常为二分之一波长,同一方向两波束间夹角为60°。该研究在传统相控阵DVL的基础上,提出一种八波束的相控阵DVL,在两个互相垂直的方向上,各形成4个波束,即双Janus配置方式。根据仿真对比分析,确定阵元布阵间距为0.35倍波长,同一方向上4个波束所对应的角度分别是±43.56°和±20.16°,这样,在两个互相垂直的方向上,4个与水平面方向夹角较小的波束,可以提供更大的水平分量,更有利于进行多普勒频移的计算;4个与水平面方向夹角较大的波束,有着更大的垂直分量,使接收的回波信号有较大的信号强度,两种波束优势互补。同时,制作了一个八波束换能器,并进行了水池测试,指向性波束夹角分别为±43.49°和±20.10°,与仿真结果较好吻合,对应发送电压响应分别为170.2 dB和170.6 dB。

多普勒计程仪辅助捷联惯导初始对准技术研究

针对捷联惯导系统初始对准精度问题,提出了一种采用多普勒计程仪辅助捷联惯导系统进行初始对准的方法。分析了多普勒计程仪测速误差的形式,建立了多普勒计程仪与捷联惯导系统的误差模型,通过输出校正的方法修正多普勒计程仪的速度信息,为惯导系统提供准确的载体速度信息,采用卡尔曼滤波进行捷联惯导系统的精对准。并对舰船匀速直航状态时,多普勒计程仪辅助捷联惯导系统的初始对准进行了仿真分析。理论分析与仿真结果表明:该方案能有效地解决舰船的初始对准问题,收敛速度较快,而且具有较高的精度。

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。