基于仿射因子补偿的改进地形匹配ICCP算法

地形匹配是水下航行器组合导航系统中重要的匹配手段,针对传统地形匹配ICCP算法仅由惯导指示航迹做平移与旋转的刚性变换进行迭代匹配的局限性,提出了一种基于仿射因子补偿的改进地形匹配ICCP算法。研究了水下地形匹配的误差特性并建立误差模型,引入了由速度误差引起的仿射变换模型与仿射因子,不同于常见的最优估计等方式,推导给出了仿射因子的解析解形式。半实物仿真试验结果表明,基于仿射因子补偿的改进ICCP算法能修正水下地形匹配过程中的仿射误差,弥补传统ICCP算法的不足。在网格为10?m的高精度水深图中,传统ICCP算法的匹配结果在10个网格精度左右,而改进ICCP算法的匹配结果可达到1~2个网格精度左右,匹配精度平均提升78%以上,且相较于传统算法耗时增加不到1%,可为地形匹配导航系统提供更好的参考信息。     

基于改进TERCOM的地形辅助导航算法

自主水下航行器长时间航行后惯性导航系统的位置误差会随时间不断增加，地形辅助导航可帮助惯性导航系统进行误差校正。为解决地形轮廓匹配（TERCOM）算法对航向误差较敏感问题，提高地形辅助导航的匹配精度，提出了一种基于改进TERCOM的地形辅助导航算法。在TERCOM算法基础上增加旋转角度机制，首先根据INS航迹进行旋转平移并采用TERCOM算法进行粗匹配，然后引入改进粒子群算法进行精匹配。在某海图内进行水下地形匹配仿真实验，结果表明：与传统TERCOM算法相比，所提算法可降低航向误差84%，匹配精度可提高4倍多，对实现自主水下航行器的自主无源导航有重要意义。     

一种结合地形和环境特征的水下导航定位方法

为了实现水下潜器长时间高精度导航定位,同时考虑到传统地形辅助导航系统在先验地形图不可得或者是地形变化不明显的海域(地形不可匹配区域),无法用来修正惯性导航位置误差的问题,提出了一种结合地形和环境特征的水下导航定位方法。在先验地形图可得且地形高程变化明显的可匹配区域,采用地形辅助导航系统来修正惯导位置误差,在先验地形图不可得或者是地形高程变化不明显的不可匹配区域,采用基于海洋环境特征的同步定位与构图算法来修正惯导位置误差。仿真结果表明,该方法在地形可匹配区域以及地形不可匹配区域得到的航迹都比纯惯导得到的轨迹更接近于理想航迹,因此可以用来修正惯导位置误差。     

基于约束粒子群优化的海底地形辅助惯性导航定位方法

针对水下自主航行器长时间航行后惯性导航系统位置误差积累的问题,提出一种关于约束粒子群优化的海底地形辅助惯性导航定位方法。通过在等值域内进行粒子群初始化,改善粒子"早熟"问题。采用惯性导航和水深测量序列计算相邻测量点水平距离、航迹水平转向角和水深变化量三个匹配参数,同时利用待匹配航迹上的粒子群计算以上三个参数,将航迹水平转向角和水深变化量转换为各自等效的水平相对距离,最后采用对应于相同匹配参数的等效水平相对距离的平均绝对差之和构建适应度函数,采用约束粒子群优化进行地形匹配,辅助惯导系统准确定位。通过某海图内海底地形匹配进行仿真实验,结果表明当航行器初始位置误差较大时:在地形变化明显区,ICCP的定位精度为200 m,约束粒子群优化的定位精度提高到20 m以内;在地形变化平坦区,ICCP无法有效定位的情况下,约束粒子群优化的定位精度约为250 m。     

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.     

基于仿射模型变换的地磁匹配导航算法

为了提高潜航器上地磁匹配的效率和精度,通过对潜航器惯导系统误差模型的分析,提出了一种基于仿射模型变换的粗精两级地磁匹配定位方法。首先,利用基于等值线约束的相关匹配算法消除导航系统的初始位置误差;其次,采用仿射模型对相关匹配结果的轨迹进行旋转、缩放变换,通过参数扫描实现精匹配的过程。该算法在保证实时性的同时,匹配精度优于1个网格点。     

状态变换扩展卡尔曼平滑算法在AUV水下航迹修正中的应用

水下自主潜航器(AUV)在水下勘测过程中常采用定期上浮的方式利用卫星定位信息(GNSS)校正惯性/多普勒测速仪(SINS/DVL)组合导航造成的位置误差,并通过平滑算法校正之前计算的水下航迹。针对AUV上浮前的水下航迹矫正问题,提出一种基于计算地理坐标系的状态变换扩展卡尔曼平滑算法(STEKF-RTS)。首先推导状态变换扩展卡尔曼滤波器的系统误差状态方程,并分别以GNSS信息和DVL速度为观测信息构建量测方程,以此系统模型进行前向滤波。完成前向滤波后,即潜航器上浮GNSS校正完成后,采用RTS平滑算法对水下航行阶段的航迹进行修正。实验结果表明,STEKF相较于EKF能减缓位置误差积累,STEKF-RTS相比EKF-RTS平滑算法能够进一步有效校正航线误差,1 h上浮时间间隔情况下,勘测航迹精度可控制在0.5%D以内。     

一种基于地轴投影的二维重力匹配方法

惯性/重力匹配组合导航是实现水下航行器长航时、高精度、高隐蔽性航行的有效途径。为了提高初始定位误差较大情况下匹配算法的有效匹配率,通过分析目前重力矢量测量的难点,提出了一种基于地轴投影的二维重力匹配导航方法。并建立二维重力异常数据库,利用惯导提供的纬度信息将重力仪测得的重力异常进行分解,设计了二维重力匹配的V-ICCP算法。3条初始水平定位误差为6海里的仿真航迹试验结果表明,所提方法适用于初始定位误差较大情况下的匹配定位,V-ICCP算法的有效匹配率较ICCP平均提高了10%以上,为重力匹配问题的解决提供了一种新的思路。     

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。     

基于改进遗传算法的多波束水下地形匹配方法

传统地形匹配算法在初始位置误差较大的条件下,由于搜索区域过大,定位精度较低,容易发生误匹配。针对此问题,提出一种基于改进遗传算法（GA）的多波束水下地形匹配方法。首先,根据地形变化特征,在多波束测深数据中自适应选择多条水深数据作为匹配序列,提高在地形相似处的匹配精度;然后,设计适应度函数用于衡量匹配航迹与真实航迹的相似度,加入收敛因子以减小惯导累积误差的影响;最后,利用正余弦算法对遗传算法进行优化,提高算法收敛速度,改善局部收敛的问题。仿真与船载实验结果表明,基于改进GA的多波束匹配方法对初始位置误差的大小不敏感,在分辨率为1 m的地形图上,匹配定位误差小于3 m,相比ICCP方法,在不同初始位置误差的情况下,定位精度分别提高了53%和79%。