UTP輔助UUV導(dǎo)航誤差校準(zhǔn)方法研究.pdf

1、導(dǎo)航定位是水下無人航行器(Underwater Unmanned Vehicle, UUV)完成作業(yè)任務(wù)的前提保證。導(dǎo)航定位的精度對(duì)于UUV作業(yè)性能有著重要影響。在UUV執(zhí)行水下作業(yè)，或在其他無法使用 GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位的情況下，只能依靠傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位方法如航位推算(Dead Reckoning, DR)和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)等。這些傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位方法由

2、于自身的工作機(jī)理，不可避免的存在導(dǎo)航誤差的累積，在UUV執(zhí)行長航程水下作業(yè)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航誤差過大。為此，引入基于水下應(yīng)答器定位(Underwater Transponder Positioning, UTP)的聲學(xué)輔助定位方法，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)UUV導(dǎo)航定位誤差的校準(zhǔn)，提高導(dǎo)航定位精度。在UTP輔助UUV導(dǎo)航誤差校準(zhǔn)中，UTP工作流程，解算方法，以及可觀測性條件是實(shí)現(xiàn)定位的基礎(chǔ)；應(yīng)答器坐底坐標(biāo)的校準(zhǔn)及系統(tǒng)誤差分析是減小定位誤差的前提；濾波發(fā)散

3、抑制算法以及多傳感器組合導(dǎo)航算法是提高導(dǎo)航定位性能的保證。
　　本研究針對(duì)UTP定位實(shí)現(xiàn)問題，介紹UTP定位原理、構(gòu)成、以及解算方法；利用非線性系統(tǒng)可觀測性判據(jù)，詳細(xì)分析UTP定位可觀測性條件；利用容積卡爾曼濾波進(jìn)行UTP定位濾波。針對(duì)應(yīng)答器坐底坐標(biāo)校準(zhǔn)問題，提出一種競爭粒子群算法，在粒子進(jìn)化過程中，每個(gè)粒子沿不同進(jìn)化方向，分別產(chǎn)生兩個(gè)同源子粒子，并對(duì)其進(jìn)行比較，保留較優(yōu)的子粒子進(jìn)行下一代的進(jìn)化。同時(shí)，引入學(xué)習(xí)因子自適應(yīng)調(diào)整算法，

4、保證搜索的多樣性。該改進(jìn)算法用于應(yīng)答器坐標(biāo)解算可獲得較高的精度。然后，對(duì)傳感器安裝偏差、測量誤差、聲線彎曲、信號(hào)收發(fā)點(diǎn)不同等因素對(duì)定位精度的影響進(jìn)行分析。針對(duì)濾波發(fā)散抑制問題，分別從計(jì)算誤差，觀測噪聲模型不準(zhǔn)確，系統(tǒng)狀態(tài)模型不準(zhǔn)確三個(gè)方面進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。針對(duì)計(jì)算誤差容易導(dǎo)致誤差協(xié)方差無法保證非負(fù)定性的問題，對(duì)協(xié)方差陣進(jìn)行平方根分解。針對(duì)觀測噪聲模型不準(zhǔn)確問題，利用變分貝葉斯推斷原理估計(jì)觀測噪聲協(xié)方差，并提出一種變分調(diào)節(jié)因子調(diào)整方法以保證

5、濾波性能。提出利用變分貝葉斯推斷原理直接估計(jì)觀測協(xié)方差，從而獲得更高的濾波精度。針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)模型不準(zhǔn)確問題，提出變分貝葉斯?fàn)顟B(tài)協(xié)方差估計(jì)濾波算法。針對(duì)觀測噪聲模型與系統(tǒng)狀態(tài)模型均不準(zhǔn)確的問題，將變分貝葉斯估計(jì)觀測協(xié)方差和估計(jì)狀態(tài)協(xié)方差相結(jié)合，利用收斂性判據(jù)在兩者之間切換，構(gòu)成變分貝葉斯混合濾波。針對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)融合問題，采用異步貫序塊結(jié)構(gòu)形式，利用小波多尺度變換，將信號(hào)分解到不同尺度上分別進(jìn)行濾波融合，再進(jìn)行小波重構(gòu)，得到異步多尺度貫序