水下運載器SINS-USBL-DVL組合導航系統(tǒng)設計與高性能算法研究.pdf

1、當前水下運載器的發(fā)展對于導航系統(tǒng)在精度、可靠性、容錯性等方面都提出了越來越高的要求，單一的導航系統(tǒng)已難以滿足要求，以多傳感器信息融合為基礎的組合導航技術成為目前水下導航的發(fā)展趨勢。組合導航系統(tǒng)具有協(xié)合超越、互補和余度功能，能充分利用各子系統(tǒng)的導航信息，取長補短，提高整個系統(tǒng)的導航性能。實現(xiàn)組合導航的關鍵技術是多傳感器數(shù)據(jù)融合，而各種濾波算法的出現(xiàn)，為其提供了堅實的理論基礎和強有力的數(shù)學工具。因此，對水下運載器組合導航系統(tǒng)和高性能濾波算法

2、的研究，受到了航海、導航、制導與控制、信息融合等領域眾多學者的關注，成為研究的熱點問題之一。
　　本文在全面分析捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)(SINS)、超短基線定位系統(tǒng)(USBL)和多普勒測速儀(DVL)各自優(yōu)缺點的基礎上，設計了 SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)方案;然后，針對Unscented卡爾曼濾波(UKF)算法存在的問題，提出了一種基于極大似然準則與滾動時域估計的自適應UKF算法；最后，將提出的自適應UKF算法應用于所設計的

3、SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)進行了實驗研究與算法分析。
　　論文的主要工作與創(chuàng)新性貢獻如下：
　　1.研究了 SINS更新算法、USBL定位原理和DVL測速原理；然后，針對SINS線性誤差模型存在的缺點，建立了 SINS非線性誤差模型；最后，分析了 USBL定位誤差和DVL測速誤差。
　　2.在研究組合導航工作模式的基礎上，設計了 SINS/USBL和 SINS/DVL兩個組合導航子系統(tǒng)方案，建立了各子系統(tǒng)非

4、線性數(shù)學模型；然后，采用聯(lián)邦濾波技術設計了 SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)方案。
　　3.針對UKF算法在噪聲先驗統(tǒng)計特性未知或不精確的情況下，濾波精度不高甚至發(fā)散的問題，提出了一種基于極大似然準則與滾動時域估計的自適應UKF算法。該算法利用UKF算法產(chǎn)生的新息序列構造含有噪聲統(tǒng)計特性的似然函數(shù)，引入滾動時域估計概念，利用在線滾動優(yōu)化抑制噪聲統(tǒng)計估計的發(fā)散，最后采用Newton-Raphson算法求解噪聲統(tǒng)計的極大似然估計

5、，得到帶有噪聲統(tǒng)計估計器的自適應UKF算法。
　　4.將提出的自適應U K F算法應用于所設計的SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)中進行了仿真實驗與實際淺水實驗。結果表明，設計的SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)具有較高的導航精度，能夠滿足水下運載器精確導航定位的要求；提出的自適應UKF算法能有效抑制未知或不精確噪聲統(tǒng)計對組合導航系統(tǒng)定位精度的影響，有效提高了 SINS/USBL/DVL組合導航系統(tǒng)的水下定位精度。