舒旭光

摘 要： 針對(duì)水下航行體INS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提出了基于DVL測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償?shù)目柭鼮V波方案，介紹了測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償方法和補(bǔ)償措施。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于DVL測(cè)量速度誤差預(yù)先補(bǔ)償?shù)慕M合導(dǎo)航技術(shù)改善了系統(tǒng)濾波收斂特性，提高了導(dǎo)航定位精度。

關(guān)鍵詞： 水下航行體； 組合導(dǎo)航； 預(yù)先補(bǔ)償； 卡爾曼濾波

中圖分類號(hào)： TN966?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0139?04

Integrated navigation technology for underwater vehicles based on

pre?compensation of velocity measurement deviation

SHU Xu?guang

（710th Research Institute， Yichang 443000， China）

Abstract： For INS/DVL integrated navigation system in a long?distance underwater vehicle， the scheme of Kalman filtering based on the pre?compensation of velocity measurement deviation generated by DVL is proposed. The methods and measures of pre?compensation of the velocity measurement deviation are introduced. The test validation result shows that the integrated navigation technology based on pre?compensation of the velocity measurement deviation caused by DVL can improve the filtering convergence features and the navigation accuracy of the system.

Keyword： underwater vehicle； integrated navigation； pre?compensation； Kalman filtering

0 引 言

適應(yīng)于水下的導(dǎo)航技術(shù)包括慣性導(dǎo)航技術(shù)、多普勒速度儀測(cè)量速度的推算導(dǎo)航技術(shù)、海底地形匹配導(dǎo)航技術(shù)、地磁匹配導(dǎo)航技術(shù)、水下圖像匹配定位技術(shù)等。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）具有自主、不受外界干擾、隱蔽性好、信息全面等優(yōu)點(diǎn)，已成為主要導(dǎo)航系統(tǒng)[1?2]。但是INS導(dǎo)航誤差隨著時(shí)間累積[3?4]，在水下遠(yuǎn)程航行體長(zhǎng)時(shí)間巡航過(guò)程中難以保證高精度導(dǎo)航。多普勒速度儀（DVL）通過(guò)測(cè)量多普勒頻移獲得航行體的運(yùn)動(dòng)速度，具有測(cè)速精度高，測(cè)速誤差不隨時(shí)間積累的優(yōu)點(diǎn)[5]，但DVL需要外部的航向和垂直基準(zhǔn)信息完成推算導(dǎo)航。水下遠(yuǎn)程航行體采用INS/DVL組合導(dǎo)航是一種理想的選擇[6]，INS/DVL組合導(dǎo)航發(fā)揮了INS和DVL各自的優(yōu)勢(shì)，克服INS和DVL單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)水下長(zhǎng)時(shí)間高精度導(dǎo)航定位。

1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)

水下遠(yuǎn)程航行體組合導(dǎo)航系統(tǒng)由激光陀螺INS、相控陣DVL組成。INS通過(guò)激光陀螺和石英撓性加速度計(jì)測(cè)量航行體的角速度和加速度，實(shí)現(xiàn)初始對(duì)準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航算法，并接收DVL測(cè)量的載體速度，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航計(jì)算，輸出離底高度以及經(jīng)修正的位置、速度、角速度、航向和姿態(tài)信息。水下遠(yuǎn)程航行體慣性制導(dǎo)控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先裝訂的航路點(diǎn)等控制參數(shù)，結(jié)合INS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)和深度傳感器提供的信息，完成航路點(diǎn)制導(dǎo)控制和適應(yīng)海底地形的尋深控制，使航行體準(zhǔn)確自航至目標(biāo)航路點(diǎn)。

激光陀螺的工作原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度的Sagnac效應(yīng)。不同于傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺，激光陀螺沒(méi)有高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，具有動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、瞬時(shí)啟動(dòng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的慣性敏感器件。相控陣DVL的最大優(yōu)點(diǎn)是只需用一個(gè)平面基陣進(jìn)行相控發(fā)射和接收，從工作機(jī)理上自動(dòng)消除了水中聲速變化這一影響速度測(cè)量的因素，不再需要進(jìn)行聲速補(bǔ)償[7]。在波束寬度和工作頻率相同的情況下，平面相控陣的體積是多個(gè)獨(dú)立換能器構(gòu)成的基陣四分之一；而在波束寬度和基陣尺寸相同的情況下，平面相控陣可用更低的工作頻率，因而可達(dá)到大得多的工作距離。因此，相控陣多普勒測(cè)速技術(shù)非常適合水下航行體使用。

2 DVL測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償

根據(jù)聲學(xué)多普勒速度儀的工作原理，在載體存在縱搖和橫搖的情況下，多普勒測(cè)量速度將產(chǎn)生一定的誤差[8]，其相對(duì)誤差形式如下式：

[δl=（1-cosΔθ）×100%δh=（1-cosΔφ）×100%] （1）

式中：[δl，][δh]分別為縱向、側(cè)向相對(duì)測(cè)速誤差；[Δθ，][Δφ]分別為水下遠(yuǎn)程航行體縱搖、橫搖。

用[ψ，][θ，][φ]分別表示水下遠(yuǎn)程航行體姿態(tài)角中的偏航角、俯仰角、橫滾角，按照姿態(tài)角的定義[4]，水下遠(yuǎn)程航行體的縱搖、橫搖可由[θ，][φ]計(jì)算得到：

[Δθ=θΔφ=π2-arcos（cosθsinφ）] （2）

水下遠(yuǎn)程航行體縱軸、橫軸在水平面上方時(shí)，DVL縱向、側(cè)向測(cè)量速度相對(duì)真實(shí)速度增大，反之則減小。根據(jù)公式（1），考慮水下遠(yuǎn)程航行體縱搖[Δθ、]橫搖[Δφ]的符號(hào)，得到DVL縱向、側(cè)向測(cè)量速度的放大系數(shù)[kx，][kz：]

[kx=1+sign（Δθ）?（cosΔθ-1）kz=1-sign（Δφ）?（cosΔφ-1）] （3）

利用該放大系數(shù)對(duì)DVL縱向測(cè)量速度[Vdx、]側(cè)向測(cè)量速度[Vdz]進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計(jì)算消除了因姿態(tài)變化引起的誤差后的多普勒測(cè)量速度[Vdx，][Vdz]：

[Vdx=VdxkxVdz=Vdzkz] （4）

基于DVL測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償方案如下：

相控陣DVL通過(guò)波束形成技術(shù)形成3°的窄波束進(jìn)行聲信號(hào)的收發(fā)，因此它對(duì)海底工作地形和載體姿態(tài)有一定的適應(yīng)性。在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL底跟蹤速度誤差相應(yīng)增大，采用上述補(bǔ)償方法對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償難以較好的消除其測(cè)速誤差。這種情況下，一方面通過(guò)加速度門限判決剔除異常速度；另一方面，通過(guò)對(duì)回波強(qiáng)度和噪聲水平的綜合判斷，將異常速度賦值為-32.767 m/s（無(wú)效速度），并設(shè)置無(wú)效標(biāo)志輸送給INS。

在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL短時(shí)間內(nèi)（通常為幾秒至十幾秒）輸出無(wú)效的速度信息，這時(shí)系統(tǒng)選擇純慣性導(dǎo)航。在這一時(shí)間內(nèi)純慣性導(dǎo)航精度可以保證，這樣可以有效避免最終的導(dǎo)航結(jié)果受到污染。

在DVL輸出的速度信息有效時(shí)，系統(tǒng)選擇INS/DVL組合，對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，并且根據(jù)航行體姿態(tài)變化情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波噪聲系數(shù)，保證系統(tǒng)處于最佳方式，提高導(dǎo)航定位精度。

3 INS/DVL組合導(dǎo)航

將INS和DVL進(jìn)行組合，通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合，并采用反饋校正，利用INS參數(shù)誤差的估計(jì)值反饋到INS內(nèi)部對(duì)INS的速度、位置、姿態(tài)、慣性器件誤差等參數(shù)進(jìn)行校正，利用DVL參數(shù)誤差的估計(jì)值對(duì)DVL的測(cè)量速度等進(jìn)行校正，構(gòu)成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 INS/DVL組合導(dǎo)航原理圖

導(dǎo)航坐標(biāo)系采用北天東地理坐標(biāo)系。

取狀態(tài)向量為：

[X=（?N，?U，?E，δVN，δVE，δλ，δL，εx，εy，εz，δVDx，δVDz，δKDx，δKDz）T。]

其中，[?N，?U，?E]為航向和姿態(tài)失準(zhǔn)角；[δVN，δVE]為北向、東向速度誤差；[δλ，δL]為經(jīng)度、緯度誤差；[，εx，εy，εz]為側(cè)向、縱向和垂向陀螺漂移；[δVDx，δVDz]為DVL前向和側(cè)向測(cè)速誤差；[δKDx，δKDz]為刻度系數(shù)誤差。

系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：

[?N=δVER-ωiesinLδL-（ωiesinL+VERtanL）?E-VNR?U+C11εx+C12εy+C13εz?U=tanLRδVE+（ωiecosL+VERsec2L）δL+（ωiecosL+VER）?E+VNR?N+C21εx+C22εy+C23εz?E=-δVNR+（ωiesinL+VERtanL）?N-（ωiecosL+VER）?U+C31εx+C32εy+C33εzδVN=-2（ωiesinL+VERtanL）δVE-（2ωieVEcosL+V2ERsec2L）δL-fUφE+fE?U+?NδVE=VERtanLδVE+（2ωiesinL+VERtanL）δVN+（2ωieVNcosL+VEVNRsec2L）δL+?Eδλ=secLRδVE+VERtanLsecLδL]

[δL=δVNR]

[εx=-1τgεx+wgx]

[εy=-1τgεy+wgy]

[εz=-1τgεz+wgz]

式中：[fN，fU]和[fE]分別為三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的比力在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的分量； [VN，VE，L]和[λ]為慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)輸出；[?N]和[?E]為加速度計(jì)隨機(jī)噪聲，服從零均值正態(tài)分布。

根據(jù)DVL工作原理，它測(cè)量載體相對(duì)海底的速度，測(cè)量誤差主要有速度偏移誤差[δVDi][（i=x，y，z），]刻度系數(shù)誤差[δKDi][（i=x，y，z），][δVd]用一階馬爾可夫過(guò)程表示， [δKDi]為隨機(jī)常數(shù)。

相應(yīng)誤差狀態(tài)方程為：

[δVDx=-1τdδVDx+wDxδVDz=-1τdδVDz+wDzδKDx=0δKDz=0]

將上述誤差狀態(tài)方程表示如下：

[X=AX+BW] （5）

其中：

[W=000?N?E00wgxwgy wgzwdxwdy00T]

[A=AI7×7?04×3C3×3?07×4…?…?…03×7?Ag3×3?03×4…?…?…04×7?04×3?AD4×4]

[B=I14×14]

5 結(jié) 論

針對(duì)某水下遠(yuǎn)程航行體的特點(diǎn)，采用以激光陀螺INS為核心，輔助以相控陣DVL組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)擔(dān)負(fù)水下自主導(dǎo)航定位的任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹了DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償方法、補(bǔ)償方案以及INS/DVL組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償?shù)慕M合導(dǎo)航技術(shù)改善了系統(tǒng)濾波收斂特性，提高了導(dǎo)航定位精度。

參考文獻(xiàn)

[1] CHENG Jian?hua， ZOU Ji?bin， WU Lei， et al. The design of an effective marine inertial navigation system scheme [C]// Proceedings of the International Workshop on Knowledge Disco?very and data Mining. Adelaide，Australia： IEEE Computer Society， 2008： 671?676.

[2] CUREY R K， ASH M E， THIELMAN L O. Proposed IEEE inertial system terminology standard and other inertial sensor standards [C]// Proceedings of IEEE 2004 Position Location Navigation Symposium. Monterey， USA： IEEE， 2004：83?90.

[3] 陳永冰，鐘斌.慣性導(dǎo)航原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 張濤.基于慣導(dǎo)及水下聲學(xué)輔助系統(tǒng)的AUV容錯(cuò)導(dǎo)航技術(shù)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（4）：512?516.

[5] 秦瑞，王順偉，袁曉峰，等.多普勒測(cè)速儀/捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2006（6）：68?72.

[6] 鄒洪，向大威，景永剛.多普勒計(jì)程儀的數(shù)據(jù)平滑方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2008，23（1）：507?510.

[7] 田坦，張殿倫，盧逢春，等.相控陣多普勒測(cè)速技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27（4）：80?85.

[8] 陽(yáng)躍圖.船用多普勒計(jì)程儀誤差分析[J].天津航海，2011（2）：9?10.

利用該放大系數(shù)對(duì)DVL縱向測(cè)量速度[Vdx、]側(cè)向測(cè)量速度[Vdz]進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計(jì)算消除了因姿態(tài)變化引起的誤差后的多普勒測(cè)量速度[Vdx，][Vdz]：

[Vdx=VdxkxVdz=Vdzkz] （4）

基于DVL測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償方案如下：

相控陣DVL通過(guò)波束形成技術(shù)形成3°的窄波束進(jìn)行聲信號(hào)的收發(fā)，因此它對(duì)海底工作地形和載體姿態(tài)有一定的適應(yīng)性。在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL底跟蹤速度誤差相應(yīng)增大，采用上述補(bǔ)償方法對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償難以較好的消除其測(cè)速誤差。這種情況下，一方面通過(guò)加速度門限判決剔除異常速度；另一方面，通過(guò)對(duì)回波強(qiáng)度和噪聲水平的綜合判斷，將異常速度賦值為-32.767 m/s（無(wú)效速度），并設(shè)置無(wú)效標(biāo)志輸送給INS。

在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL短時(shí)間內(nèi)（通常為幾秒至十幾秒）輸出無(wú)效的速度信息，這時(shí)系統(tǒng)選擇純慣性導(dǎo)航。在這一時(shí)間內(nèi)純慣性導(dǎo)航精度可以保證，這樣可以有效避免最終的導(dǎo)航結(jié)果受到污染。

在DVL輸出的速度信息有效時(shí)，系統(tǒng)選擇INS/DVL組合，對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，并且根據(jù)航行體姿態(tài)變化情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波噪聲系數(shù)，保證系統(tǒng)處于最佳方式，提高導(dǎo)航定位精度。

3 INS/DVL組合導(dǎo)航

將INS和DVL進(jìn)行組合，通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合，并采用反饋校正，利用INS參數(shù)誤差的估計(jì)值反饋到INS內(nèi)部對(duì)INS的速度、位置、姿態(tài)、慣性器件誤差等參數(shù)進(jìn)行校正，利用DVL參數(shù)誤差的估計(jì)值對(duì)DVL的測(cè)量速度等進(jìn)行校正，構(gòu)成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 INS/DVL組合導(dǎo)航原理圖

導(dǎo)航坐標(biāo)系采用北天東地理坐標(biāo)系。

取狀態(tài)向量為：

[X=（?N，?U，?E，δVN，δVE，δλ，δL，εx，εy，εz，δVDx，δVDz，δKDx，δKDz）T。]

其中，[?N，?U，?E]為航向和姿態(tài)失準(zhǔn)角；[δVN，δVE]為北向、東向速度誤差；[δλ，δL]為經(jīng)度、緯度誤差；[，εx，εy，εz]為側(cè)向、縱向和垂向陀螺漂移；[δVDx，δVDz]為DVL前向和側(cè)向測(cè)速誤差；[δKDx，δKDz]為刻度系數(shù)誤差。

系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：

[?N=δVER-ωiesinLδL-（ωiesinL+VERtanL）?E-VNR?U+C11εx+C12εy+C13εz?U=tanLRδVE+（ωiecosL+VERsec2L）δL+（ωiecosL+VER）?E+VNR?N+C21εx+C22εy+C23εz?E=-δVNR+（ωiesinL+VERtanL）?N-（ωiecosL+VER）?U+C31εx+C32εy+C33εzδVN=-2（ωiesinL+VERtanL）δVE-（2ωieVEcosL+V2ERsec2L）δL-fUφE+fE?U+?NδVE=VERtanLδVE+（2ωiesinL+VERtanL）δVN+（2ωieVNcosL+VEVNRsec2L）δL+?Eδλ=secLRδVE+VERtanLsecLδL]

[δL=δVNR]

[εx=-1τgεx+wgx]

[εy=-1τgεy+wgy]

[εz=-1τgεz+wgz]

式中：[fN，fU]和[fE]分別為三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的比力在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的分量； [VN，VE，L]和[λ]為慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)輸出；[?N]和[?E]為加速度計(jì)隨機(jī)噪聲，服從零均值正態(tài)分布。

根據(jù)DVL工作原理，它測(cè)量載體相對(duì)海底的速度，測(cè)量誤差主要有速度偏移誤差[δVDi][（i=x，y，z），]刻度系數(shù)誤差[δKDi][（i=x，y，z），][δVd]用一階馬爾可夫過(guò)程表示， [δKDi]為隨機(jī)常數(shù)。

相應(yīng)誤差狀態(tài)方程為：

[δVDx=-1τdδVDx+wDxδVDz=-1τdδVDz+wDzδKDx=0δKDz=0]

將上述誤差狀態(tài)方程表示如下：

[X=AX+BW] （5）

其中：

[W=000?N?E00wgxwgy wgzwdxwdy00T]

[A=AI7×7?04×3C3×3?07×4…?…?…03×7?Ag3×3?03×4…?…?…04×7?04×3?AD4×4]

[B=I14×14]

5 結(jié) 論

針對(duì)某水下遠(yuǎn)程航行體的特點(diǎn)，采用以激光陀螺INS為核心，輔助以相控陣DVL組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)擔(dān)負(fù)水下自主導(dǎo)航定位的任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹了DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償方法、補(bǔ)償方案以及INS/DVL組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償?shù)慕M合導(dǎo)航技術(shù)改善了系統(tǒng)濾波收斂特性，提高了導(dǎo)航定位精度。

參考文獻(xiàn)

[1] CHENG Jian?hua， ZOU Ji?bin， WU Lei， et al. The design of an effective marine inertial navigation system scheme [C]// Proceedings of the International Workshop on Knowledge Disco?very and data Mining. Adelaide，Australia： IEEE Computer Society， 2008： 671?676.

[2] CUREY R K， ASH M E， THIELMAN L O. Proposed IEEE inertial system terminology standard and other inertial sensor standards [C]// Proceedings of IEEE 2004 Position Location Navigation Symposium. Monterey， USA： IEEE， 2004：83?90.

[3] 陳永冰，鐘斌.慣性導(dǎo)航原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 張濤.基于慣導(dǎo)及水下聲學(xué)輔助系統(tǒng)的AUV容錯(cuò)導(dǎo)航技術(shù)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（4）：512?516.

[5] 秦瑞，王順偉，袁曉峰，等.多普勒測(cè)速儀/捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2006（6）：68?72.

[6] 鄒洪，向大威，景永剛.多普勒計(jì)程儀的數(shù)據(jù)平滑方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2008，23（1）：507?510.

[7] 田坦，張殿倫，盧逢春，等.相控陣多普勒測(cè)速技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27（4）：80?85.

[8] 陽(yáng)躍圖.船用多普勒計(jì)程儀誤差分析[J].天津航海，2011（2）：9?10.

利用該放大系數(shù)對(duì)DVL縱向測(cè)量速度[Vdx、]側(cè)向測(cè)量速度[Vdz]進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計(jì)算消除了因姿態(tài)變化引起的誤差后的多普勒測(cè)量速度[Vdx，][Vdz]：

[Vdx=VdxkxVdz=Vdzkz] （4）

基于DVL測(cè)速誤差預(yù)先補(bǔ)償方案如下：

相控陣DVL通過(guò)波束形成技術(shù)形成3°的窄波束進(jìn)行聲信號(hào)的收發(fā)，因此它對(duì)海底工作地形和載體姿態(tài)有一定的適應(yīng)性。在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL底跟蹤速度誤差相應(yīng)增大，采用上述補(bǔ)償方法對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償難以較好的消除其測(cè)速誤差。這種情況下，一方面通過(guò)加速度門限判決剔除異常速度；另一方面，通過(guò)對(duì)回波強(qiáng)度和噪聲水平的綜合判斷，將異常速度賦值為-32.767 m/s（無(wú)效速度），并設(shè)置無(wú)效標(biāo)志輸送給INS。

在海底地形或者航行體姿態(tài)變化較大的情況下，DVL短時(shí)間內(nèi)（通常為幾秒至十幾秒）輸出無(wú)效的速度信息，這時(shí)系統(tǒng)選擇純慣性導(dǎo)航。在這一時(shí)間內(nèi)純慣性導(dǎo)航精度可以保證，這樣可以有效避免最終的導(dǎo)航結(jié)果受到污染。

在DVL輸出的速度信息有效時(shí)，系統(tǒng)選擇INS/DVL組合，對(duì)DVL測(cè)量速度進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償，并且根據(jù)航行體姿態(tài)變化情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)濾波噪聲系數(shù)，保證系統(tǒng)處于最佳方式，提高導(dǎo)航定位精度。

3 INS/DVL組合導(dǎo)航

將INS和DVL進(jìn)行組合，通過(guò)卡爾曼濾波器進(jìn)行信息融合，并采用反饋校正，利用INS參數(shù)誤差的估計(jì)值反饋到INS內(nèi)部對(duì)INS的速度、位置、姿態(tài)、慣性器件誤差等參數(shù)進(jìn)行校正，利用DVL參數(shù)誤差的估計(jì)值對(duì)DVL的測(cè)量速度等進(jìn)行校正，構(gòu)成具有高精度、高可靠性、高自主性的功能完善的水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 INS/DVL組合導(dǎo)航原理圖

導(dǎo)航坐標(biāo)系采用北天東地理坐標(biāo)系。

取狀態(tài)向量為：

[X=（?N，?U，?E，δVN，δVE，δλ，δL，εx，εy，εz，δVDx，δVDz，δKDx，δKDz）T。]

其中，[?N，?U，?E]為航向和姿態(tài)失準(zhǔn)角；[δVN，δVE]為北向、東向速度誤差；[δλ，δL]為經(jīng)度、緯度誤差；[，εx，εy，εz]為側(cè)向、縱向和垂向陀螺漂移；[δVDx，δVDz]為DVL前向和側(cè)向測(cè)速誤差；[δKDx，δKDz]為刻度系數(shù)誤差。

系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：

[?N=δVER-ωiesinLδL-（ωiesinL+VERtanL）?E-VNR?U+C11εx+C12εy+C13εz?U=tanLRδVE+（ωiecosL+VERsec2L）δL+（ωiecosL+VER）?E+VNR?N+C21εx+C22εy+C23εz?E=-δVNR+（ωiesinL+VERtanL）?N-（ωiecosL+VER）?U+C31εx+C32εy+C33εzδVN=-2（ωiesinL+VERtanL）δVE-（2ωieVEcosL+V2ERsec2L）δL-fUφE+fE?U+?NδVE=VERtanLδVE+（2ωiesinL+VERtanL）δVN+（2ωieVNcosL+VEVNRsec2L）δL+?Eδλ=secLRδVE+VERtanLsecLδL]

[δL=δVNR]

[εx=-1τgεx+wgx]

[εy=-1τgεy+wgy]

[εz=-1τgεz+wgz]

式中：[fN，fU]和[fE]分別為三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的比力在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的分量； [VN，VE，L]和[λ]為慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)輸出；[?N]和[?E]為加速度計(jì)隨機(jī)噪聲，服從零均值正態(tài)分布。

根據(jù)DVL工作原理，它測(cè)量載體相對(duì)海底的速度，測(cè)量誤差主要有速度偏移誤差[δVDi][（i=x，y，z），]刻度系數(shù)誤差[δKDi][（i=x，y，z），][δVd]用一階馬爾可夫過(guò)程表示， [δKDi]為隨機(jī)常數(shù)。

相應(yīng)誤差狀態(tài)方程為：

[δVDx=-1τdδVDx+wDxδVDz=-1τdδVDz+wDzδKDx=0δKDz=0]

將上述誤差狀態(tài)方程表示如下：

[X=AX+BW] （5）

其中：

[W=000?N?E00wgxwgy wgzwdxwdy00T]

[A=AI7×7?04×3C3×3?07×4…?…?…03×7?Ag3×3?03×4…?…?…04×7?04×3?AD4×4]

[B=I14×14]

5 結(jié) 論

針對(duì)某水下遠(yuǎn)程航行體的特點(diǎn)，采用以激光陀螺INS為核心，輔助以相控陣DVL組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)擔(dān)負(fù)水下自主導(dǎo)航定位的任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹了DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償方法、補(bǔ)償方案以及INS/DVL組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于DVL測(cè)量速度預(yù)先補(bǔ)償?shù)慕M合導(dǎo)航技術(shù)改善了系統(tǒng)濾波收斂特性，提高了導(dǎo)航定位精度。

參考文獻(xiàn)

[1] CHENG Jian?hua， ZOU Ji?bin， WU Lei， et al. The design of an effective marine inertial navigation system scheme [C]// Proceedings of the International Workshop on Knowledge Disco?very and data Mining. Adelaide，Australia： IEEE Computer Society， 2008： 671?676.

[2] CUREY R K， ASH M E， THIELMAN L O. Proposed IEEE inertial system terminology standard and other inertial sensor standards [C]// Proceedings of IEEE 2004 Position Location Navigation Symposium. Monterey， USA： IEEE， 2004：83?90.

[3] 陳永冰，鐘斌.慣性導(dǎo)航原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4] 張濤.基于慣導(dǎo)及水下聲學(xué)輔助系統(tǒng)的AUV容錯(cuò)導(dǎo)航技術(shù)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（4）：512?516.

[5] 秦瑞，王順偉，袁曉峰，等.多普勒測(cè)速儀/捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2006（6）：68?72.

[6] 鄒洪，向大威，景永剛.多普勒計(jì)程儀的數(shù)據(jù)平滑方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2008，23（1）：507?510.

[7] 田坦，張殿倫，盧逢春，等.相控陣多普勒測(cè)速技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27（4）：80?85.

[8] 陽(yáng)躍圖.船用多普勒計(jì)程儀誤差分析[J].天津航海，2011（2）：9?10.