多传感器信息融合技术在水下组合导航系统中的应用

为了提高水下航行器组合导航定位的精度,采用SINS(捷联式惯性导航系统)、DVS(多普勒速度声纳)、TCM2电子磁罗经和GPS浮标组成新型水下航行器组合导航系统,分析了SINS、DVS、TCM2电子磁罗经和GPS浮标的工作原理以及建立了各自输出误差模型,利用联邦Kalman滤波对水下组合导航系统进行信息融合,建立了水下组合导航系统联邦滤波器的观测方程和量测方程,并进行了计算机软件仿真实验。仿真实验表明:使用联邦卡尔曼滤波的水下组合导航信息融合技术导航输出精度满足水下航行器高精度高可靠性的性能指标。采用了SINS,DVS,TCM2,GPS浮标以及联邦卡尔曼滤波的水下组合导航系统可以有效地提高水下航行器组合导航定位的精度和可靠性,从而增长了水下航行器水下作业时间以及提高了水下航行器的水下导航定位性能。     

水下实测重力数据归算

重力场辅助水下导航技术作为一种新的无源导航手段受到各个国家的重视,并逐渐成为研究的热点,但目前的大部分研究主要基于匹配算法和系统总体框架的仿真设计,对于重力实测数据的获取过程和精度缺乏讨论.从工程实用角度出发,对重力场辅助水下导航中的实测重力的数据归算过程进行了详细分析,明确了海洋潮汐和海面地形的计算精度是决定水下重力归算精度的主要因素.鉴于海洋潮汐和海面地形的复杂性,针对潮汐和海面地形在浅海和深海的不同特点,提出了对海域进行分区计算的设想,计算结果证明了该方法用于水下实测重力数据归算的可行性.     

信息融合技术在水下组合导航系统中的应用

以捷联惯性导航系统作为组合导航系统的主导航设备,地形匹配、多普勒测速仪等为辅助导航设备,分析了S1NS、DVL以及地形辅助导航系统等的工作原理并建立输出误差模型,利用联邦Kalman滤波技术对水下组合导航系统进行信息融合,建立了水下组合导航系统联邦滤波器的观测方程和量测方程,并进行计算机软件仿真实验.仿真结果表明:使用联邦卡尔曼滤波的水下组合导航系统导航状态输出精度满足水下航行器高精度高可靠性的要求.该水下组合导航系统能够得到较高精度的位置、速度和姿态信息,提高了水下航行器远距离长时间导航的精度.     

一种惯性/水声单应答器距离组合导航方法

惯性/水声单应答器距离组合导航方法为自主水下航行器(AUV)校准提供了一种新途径。针对惯性/水声单应答器距离组合导航系统,建立了AUV三维空间运动学模型,对单应答器距离变换位置非线性系统采用李导数方法进行了可观测性分析,设置了合理的载体航行轨迹,位置组合导航算法中采取了延时状态滤波方式实现了量测信息的同步更新。湖上实验表明,采用单应答器距离组合导航方法后,明显地抑制了INS/DVL导航误差的发散趋势,最大定位误差减小幅度约为19.2%,初步验证了惯性/水声单应答器距离组合导航方案的有效性,为解决AUV导航设备水下校准提供了可能。     

速率方位惯性平台/GPS/计程仪组合导航系统仿真研究

根据科学发展和高精度导航的要求，提出了一个由GPS接收机、速率方位惯性平台和重力敏感器构成的精确重力测量组合导航系统，给出了该组合系统在速率方位地平坐标系下的误差方程和Kalman滤波方法以及计算机仿真结果。数字仿真表明：由中等精度的陀螺仪和加速度计以及GPS组成的组合导航系统平台水平误差角小，定位精度高，能够满足重力测量和导航要求。     

应用抗差估计SITAN算法的水下重力匹配导航方法

水下重力场匹配导航的SITAN算法综合了扩展卡尔曼滤波技术和地形随机线性化技术,具有实时性好、可操作性强等特点。针对其在粗差探测方面的不足,引入抗差估计方法,通过设置调节因子,降低了异常点状态矩阵和增益矩阵等对下一位置点的影响,来改善导航位置精度,增强可靠性。仿真试验结果表明,采用一般SITAN算法的水下重力匹配导航位置精度均值为2~3 n mile,引入抗差方法后,导航位置精度保持在1 n mile以内,精度水平提升50%以上。抗差估计方法用于水下重力匹配导航,具有较好的精度改善作用。     

区域重力异常辅助导航定位的统计分析

海洋区域的重力异常变化非常复杂,在利用重力异常数据进行水下载体的辅助导航的仿真中,有些航线我们可以得到较好的匹配结果,有些航线因为辅助区域的重力异常变化较小而不能提供较好辅助定位.利用区域内均匀分布的航线进行多航线的统计分析,可以给出比较客观的区域匹配结果.本文探讨了重力异常辅助惯性导航的相关技术,利用2'×2'的卫星测高重力异常数据,在纬度25°～130°,经度130°～135°的范围对SITAN算法的区域导航能力进行了统计分析.多条航线的统计结果表明,利用SITAN算法进行的重力异常辅助导航可以满足重力辅助导航要求.     

重力图形匹配技术在水下导航中的应用

以国外有关文献为依据,对重力图形匹配技术的基本原理和关键技术进行了分析,介绍了重力图形匹配技术应用于水下导航的研究现状,探讨了未来的发展方向,为国内相关领域的研究人员提供参考。     

模糊自适应滤波在水下航行器组合导航系统中的应用

为了提高水下航行器组合导航系统精度和可靠性,针对水下航行器组合导航系统量测噪声统计特性随实际工作环境的不同而变化的特点,提出了基于模糊自适应联邦卡尔曼滤波的水下组合导航算法。通过监测理论残差与实际残差的协方差的一致程度,应用模糊系统不断调整滤波器的增益系数,对子滤波器进行在线自适应调整,从而实现导航状态的最优估计滤波。通过对联邦滤波器信息分配系数模糊自适应调整,减少了滤波计算量,提高了滤波实时性。软件仿真实验结果表明：模糊自适应滤波可以有效地提高水下航行器组合导航系统的精度和可靠性,提高导航滤波实时性,克服传统的滤波算法的缺点与不足。     

系统容错技术在水下航行器组合导航系统中的应用

为了提高水下航行器组合导航系统长时间远航程水下导航的可靠性和精度,采用了捷联惯性导航系统、多普勒速度声纳、地形匹配模块和TCM2电子磁罗经构成组合导航系统.采用容错联邦卡尔曼滤波对水下航行器组合导航系统进行信息融合、故障诊断与系统重构,在设计联邦滤波算法基础上,结合组合导航信息融合方案,详细分析了故障检测方法,给出了水下航行器容错联邦滤波结构和故障检测算法,进行了仿真实验,并对仿真结果进行了分析.仿真结果表明:联邦滤波方法对系统故障能够及时检测并且有效隔离了故障传感器,对系统进行了重构,提高了系统的导航精度和可靠性.     

一种改进的水下三阵元辅助惯导系统的定位算法

针对水下惯导系统定位误差随时间发散的缺陷,设计了一种基于DVL、声学定位辅助惯导的组合导航系统。声学定位系统由安装在水下潜器上的换能器阵和布放在海底的三阵元定位基阵组成,传统长基线定位水下至少要布放四个阵元,三个阵元无法直接定位求解。根据三阵元测得的距离信息和惯导系统输出的位置信息建立距离耦合模型,给出了惯导、DVL和声学定位系统的状态方程和量测方程;同时针对水下声速垂直分布特性,提出了一种等效声速的修正方法。仿真结果表明:在三阵元定位基阵作用范围内,组合导航系统能有效修正惯导位置误差,定位误差小于4 m,具有良好的适用性。     

UKF滤波技术在AUV组合导航中的应用研究

高精度的导航定位是AUV研究中所面临的主要挑战之一。采用GPS辅助的INS／DVL组合导航是目前AUV的主流导航模式。当前实现GPS／INS／DVL组合导航的技术主要有航迹推算(DR)和卡尔曼滤波。中将UKF(Unscented Kalman Filter)滤波技术应用于AUV组合导航，并把UKF与传统的DR和EKF(Extended Kalman filter)方法进行了仿真比较研究。仿真结果表明，UKF在计算量上与EKF相当，但是UKF的位置、航向估计精度都要优于DR和EKF。     

采用静电陀螺监控器／惯性导航系统的水下组合导航系统研究

本文推导了静电陀螺监控器（ＥＳＧＭ）系统的运动方程和机械编排，并进行了模拟仿真，给出了仿真误差曲线。同时，还建立了以半解析式惯性导航系统误差为状态变量的系统状态方程，采用卡尔曼滤波技术，对ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合系统进行仿真。结果表明，组合系统可以大大延长惯导的重调周期，提高潜水下航行的保密性，ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合使用是保证潜艇长时间水下航行的有效方法。     

水下图像导航技术在潜艇上的应用

潜艇传统的导航方法是采用惯导、无线电导航等技术,随着计算机技术=数字图像处理技术以及传感器技术的发展,在潜艇上采用视觉图像定位测距系统进行导航是一个新的发展方向,它可以实现潜艇自主导航,减少被敌方发现和干扰的机会,从而增强潜艇的隐蔽性及其发起攻击的突然性,因此,研究图像导航技术并将其应用到实际战斗单元上是迫切需要的,水下视觉图像包括声视觉和光视觉两种图像形式,中就水下图像导航技术的几个方面阐述目前的技术现状,指出将其应用于潜艇导航的可行性。     

实时ICCP算法重力匹配仿真

利用地球物理场进行辅助匹配导航是组合导航技术研究领域的新方向,该技术为水下潜器无源定位提供新的手段.迭代最近等值线算法作为重要的匹配导航算法之一,但存在实时性不强、搜索速度慢等缺点.考虑到以上两方面缺点,采用固定初始序列长度的方式对算法采样结构进行改善并推导出单点迭代公式,同时采用滑动窗搜索方式缩小搜索范围提高算法速度,最终实现实时ICCP算法设计.基于MATLAB平台下实现了实时ICCP算法重力匹配仿真系统,仿真系统采用0.4′×0.4′重力异常数据库.由仿真结果可以看出,该实时ICCP算法能够实现单点迭代,匹配结果能实时跟踪真实航迹且匹配精度能达到一个重力图网格.     

测量融合组合导航方法研究

讨论了测量融合组合导航的两种方法,提出并研究了应用极大似然的估计的测量融合方法,并将该方法与基于线性一均方估计的测量融合方法作了比较。仿真研究表明测量融合方法在组合导航系统中具有良好的应用价值,特别是基于极大似然估计的测量融合方法,充分利用了测量值的冗余信息,其融合效果更好,组合系统的精度也有较大幅度的提高。     

基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统

针对纯惯导系统误差发散和无线电信号在水下衰减快从而无法精确定位的问题,设计了一种基于声学浮标辅助惯导的水下定位系统,该系统由惯导系统和声学定位系统组成,其中声学定位系统由若干个浮标构成水听器阵,浮标的经纬度坐标由GPS提供,浮标完成对接收到的声源信号的处理,利用互相关测时延差的方法来进行定位。由于水下噪声、混响等因素会造成接收到的多路声信号出现模糊互相关峰,因此对接收信号应进行频域加权处理。最后利用声学系统的定位信息来校正惯导的误差。仿真结果表明:与基本互相关方法相比,加权处理能有效提高时延差的精度,所提出的惯导和声学浮标辅助设备导航系统能够使定位误差小于2 m,保证了水下航行器能够长时间在水下航行。     

基于空间交会的GPS/INS组合导航系统仿真

由于实验务件限制,GPS/INS组合导航系统很难在真实空间交会对接环境中进行GPS/INS组合导航系统性能测试研究。为此,简要设计和实现了基于空间交会的GPS/INS组合导航软件仿真平台,研究了基于空间交会两航天器绝对和相对运动轨迹生成、GPS/INS组合导航系统误差建模、观测数据生成等实现方法,并通过仿真数据分析验证了这种设计方案的可行性,为进一步开展相关研究奠定了基础。