基于UTP的UUV遠程航海水下位置校準及控制方法研究.pdf

1、水下無人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)的高精度導航是其順利完成遠程航海及作業(yè)任務的重要保障。但是,UUV導航系統(tǒng)的誤差會隨時間累積,導致導航精度下降。針對該問題,常用的措施是采用GPS或者北斗信息對導航誤差進行校正,但該措施對于UUV水下隱蔽任務不再適用,為此提出一種基于水下應答器(Underwater Transponder Positioning,UTP)的UUV聲學輔助導航方法,通過UTP

2、來對UUV的導航累積誤差進行修正,從而提高UUV的導航精度。
　　本課題面向國家863題庫中的“UUV深海大范圍勘測綠色高精度定位與導航技術”需求,圍繞“利用UTP對UUV進行輔助導航”問題,開展了以下研究工作:
　　首先,設計了UTP輔助的UUV遠程航海導航系統(tǒng)結構,闡述了單UTP輔助UUV導航的工作原理和工作流程。UTP輔助的UUV遠程航海導航系統(tǒng)由超短基線、捷聯慣導、多普勒等設備以及海底應答器陣列構成,用以支撐實現UU

3、V遠程航海的高精度導航功能。構成海底應答器陣列的各應答器導航原理相同,但工作彼此獨立,可接力對UUV的水下位置進行校準。
　　其次,分析、歸納了UTP輔助的UUV組合導航系統(tǒng)導航精度的影響因素,設計了該組合導航系統(tǒng)的聯邦卡爾曼濾波器。為了提高UTP輔助的UUV組合導航系統(tǒng)的導航精度和魯棒性,針對影響該系統(tǒng)導航精度的各影響因素,采用卡爾曼濾波方法設計了各局部濾波器并組成了聯邦卡爾曼濾波器,仿真證明了其有效性。
　　再次,針對U

4、TP輔助UUV導航時存在的系統(tǒng)不可觀測問題(UUV的路徑穿越UTP等效聲學中心、位于UTP等深平面或垂直平面時將導致定位信息降維),基于線性時變系統(tǒng)局部可觀測性理論推導出了UTP輔助UUV導航時的系統(tǒng)可觀性條件,給出了導航系統(tǒng)可觀測時的UUV導航路徑;給出了系統(tǒng)可觀測時的UTP導航算法,仿真驗證了其有效性。
　　最后,結合UUV水下遠程航海任務,給出了UTP輔助導航時UUV可采用的控制策略,利用BSA-UUV的試驗數據對基于UTP

5、的UUV輔助導航方法和控制策略進行了仿真驗證。仿真結果表明該控制策略可行,利用UTP陣列輔助導航可以有效校準UUV遠程航海的導航累積誤差,可擴展UUV導航系統(tǒng)的可信導航范圍。
　　本文對基于UTP的UUV遠程航海水下位置校準及控制方法進行了研究,證明了UTP輔助導航能夠有效校正UUV組合導航系統(tǒng)的累積誤差,提高UUV的導航精度。由于UTP一次布放可連續(xù)數年使用而不需回收,在UUV的活動海域或預設航路上布設多個UTP組成UTP陣列,