基于UTP的UUV遠(yuǎn)程航海水下位置校準(zhǔn)及控制方法研究.pdf

1、水下無(wú)人航行器(Underwater Unmanned Vehicle,UUV)的高精度導(dǎo)航是其順利完成遠(yuǎn)程航海及作業(yè)任務(wù)的重要保障。但是,UUV導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差會(huì)隨時(shí)間累積,導(dǎo)致導(dǎo)航精度下降。針對(duì)該問(wèn)題,常用的措施是采用GPS或者北斗信息對(duì)導(dǎo)航誤差進(jìn)行校正,但該措施對(duì)于UUV水下隱蔽任務(wù)不再適用,為此提出一種基于水下應(yīng)答器(Underwater Transponder Positioning,UTP)的UUV聲學(xué)輔助導(dǎo)航方法,通過(guò)UTP

2、來(lái)對(duì)UUV的導(dǎo)航累積誤差進(jìn)行修正,從而提高UUV的導(dǎo)航精度。
　　本課題面向國(guó)家863題庫(kù)中的“UUV深海大范圍勘測(cè)綠色高精度定位與導(dǎo)航技術(shù)”需求,圍繞“利用UTP對(duì)UUV進(jìn)行輔助導(dǎo)航”問(wèn)題,開(kāi)展了以下研究工作:
　　首先,設(shè)計(jì)了UTP輔助的UUV遠(yuǎn)程航海導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu),闡述了單UTP輔助UUV導(dǎo)航的工作原理和工作流程。UTP輔助的UUV遠(yuǎn)程航海導(dǎo)航系統(tǒng)由超短基線、捷聯(lián)慣導(dǎo)、多普勒等設(shè)備以及海底應(yīng)答器陣列構(gòu)成,用以支撐實(shí)現(xiàn)UU

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

4、TP輔助UUV導(dǎo)航時(shí)存在的系統(tǒng)不可觀測(cè)問(wèn)題(UUV的路徑穿越UTP等效聲學(xué)中心、位于UTP等深平面或垂直平面時(shí)將導(dǎo)致定位信息降維),基于線性時(shí)變系統(tǒng)局部可觀測(cè)性理論推導(dǎo)出了UTP輔助UUV導(dǎo)航時(shí)的系統(tǒng)可觀性條件,給出了導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測(cè)時(shí)的UUV導(dǎo)航路徑;給出了系統(tǒng)可觀測(cè)時(shí)的UTP導(dǎo)航算法,仿真驗(yàn)證了其有效性。
　　最后,結(jié)合UUV水下遠(yuǎn)程航海任務(wù),給出了UTP輔助導(dǎo)航時(shí)UUV可采用的控制策略,利用BSA-UUV的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)基于UTP

5、的UUV輔助導(dǎo)航方法和控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該控制策略可行,利用UTP陣列輔助導(dǎo)航可以有效校準(zhǔn)UUV遠(yuǎn)程航海的導(dǎo)航累積誤差,可擴(kuò)展UUV導(dǎo)航系統(tǒng)的可信導(dǎo)航范圍。
　　本文對(duì)基于UTP的UUV遠(yuǎn)程航海水下位置校準(zhǔn)及控制方法進(jìn)行了研究,證明了UTP輔助導(dǎo)航能夠有效校正UUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差,提高UUV的導(dǎo)航精度。由于UTP一次布放可連續(xù)數(shù)年使用而不需回收,在UUV的活動(dòng)海域或預(yù)設(shè)航路上布設(shè)多個(gè)UTP組成UTP陣列,