周振華

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 浙江杭州 310023

自主式水下航行器（Autonomus Underwater Vehicle，AUV）作為一種執(zhí)行水下偵察、勘探、攻防等重要任務(wù)的平臺(tái)，在海洋開(kāi)發(fā)日益重要的現(xiàn)在，越來(lái)越得到各國(guó)的重視[1-2]。

AUV受自身結(jié)構(gòu)空間的限制，攜帶能源有限[3-4]。因此，采用低成本、小體積、少功耗等諸多突出優(yōu)點(diǎn)的微型慣性測(cè)量 單 元（Micro-Electronic Mechanical SystemInertial MeasurementUnit，MEMS-IMU），如 IMU720G、SBG、MTi等，有利于AUV的小型化、產(chǎn)品化[5][6]。

針對(duì)小型化的AUV，本文提出一種MEMS-IMU/DVL/深度傳感器/GPS組合導(dǎo)航應(yīng)用方法，該方法可有效的解算出AUV姿態(tài)、速度、位置等信息，同時(shí)AUV在水面航行時(shí)可對(duì)位置誤差進(jìn)行修正。

1 系統(tǒng)解算原理

圖1 系統(tǒng)解算原理圖

本文提出的組合導(dǎo)航系統(tǒng)解算原理如圖1所示，根據(jù)MEMSIMU輸出的姿態(tài)信息經(jīng)誤差修正后即可得載體姿態(tài)信息；由當(dāng)前DVL輸出信息可得到載體前進(jìn)和側(cè)向速度，并根據(jù)深度傳感器的變化獲取AUV豎直方向的速度；將AUV航速轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下并積分可得到位置信息，當(dāng)AUV在水面時(shí)，利用獲取GPS信息對(duì)位置誤差進(jìn)行修正。

2 導(dǎo)航解算

2.1 坐標(biāo)系定義

選取東-北-天坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系（n系），載體右-前-上為載體坐標(biāo)系（b系）。AUV繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)分別對(duì)應(yīng)載體的俯仰、橫滾、航向的變化，載體姿態(tài)角均為零時(shí)，即載體系與導(dǎo)航系重合。

2.2 姿態(tài)解算

AUV姿態(tài)可由MEMS-IMU輸出的姿態(tài)信息獲取，考慮到MEMSIMU安裝到AUV平臺(tái)時(shí)存在安裝誤差，因此MEMS-IMU輸出的姿態(tài)信息需要消除安裝誤差。

2.3 速度解算

AUV安裝的DVL可輸出載體前向-測(cè)向速度，AUV深度信息可由深度傳感器測(cè)得，因此根據(jù)AUV航行過(guò)程中深度的變化h（t），計(jì)算出導(dǎo)航系下載體天向速度Vu為：

2.4 位置解算

AUV在地球上的位置可用經(jīng)度、緯度、深度來(lái)表示，深度由深度傳感器測(cè)得，因此只需對(duì)AUV的經(jīng)度、緯度進(jìn)行解算，即可確定AUV的空間位置信息。

將AUV速度在導(dǎo)航系下的投影進(jìn)行積分為：

其中，λ0、L0分別為載體在t 0時(shí)刻的經(jīng)度和緯度；λ˙0、L˙0分別為t 0到tk時(shí)間段內(nèi)載體在經(jīng)度和緯度的變化率，可由運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算得：

式中，RM、RN分別表示地球的子午圈、卯酉圈曲率半徑；h為載體深度，Ve、Vn分別為載體在導(dǎo)航系下東向和北向的速度投影。

將式（2）、式（3）整理得：

設(shè)VN為載體在導(dǎo)航系下的速度投影，則

式中，Vu為導(dǎo)航系下載體天向速度，、、分別為載體系下載體右-前-上方向速度，Cbn為載體系到導(dǎo)航系的轉(zhuǎn)換陣，且：

其中，θ、γ、φ分別為載體的俯仰角、橫滾角、航向角。

由式（4）、式（5）、式（6）可解算出載體的經(jīng)度、緯度。當(dāng)AUV在水面時(shí)，利用GPS信息對(duì)緯度誤差和經(jīng)度誤差進(jìn)行修正，并繼續(xù)以修正后的經(jīng)緯度進(jìn)行位置推算。

3 誤差分析

3.1 姿態(tài)誤差

AUV的姿態(tài)誤差主要由MEMS-IMU器件量測(cè)誤差及其安裝誤差引起。其中，器件量測(cè)誤差為器件自身特性，隨著技術(shù)水平的提高，器件量測(cè)誤差會(huì)越來(lái)越小；器件安裝誤差是由安裝環(huán)境、安裝精度等因素引起，可通過(guò)標(biāo)校、補(bǔ)償?shù)确椒p小安裝誤差對(duì)姿態(tài)的影響。

3.2 速度誤差

AUV的速度誤差主要由DVL輸出誤差、安裝誤差等引起，DVL輸出誤差大小取決于器件的測(cè)速精度，安裝誤差可通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)确椒ㄒ詼p小安裝誤差對(duì)測(cè)速精度的影響。

3.3 位置誤差

AUV位置誤差是姿態(tài)誤差和速度誤差引起的。在導(dǎo)航系下，高度通道經(jīng)深度傳感器阻尼，其深度值和深度變化率精度較高，因此定位誤差主要是精度誤差和緯度誤差。

（1）姿態(tài)誤差引起的定位誤差。設(shè)MEMS-IMU器件誤差引起的載體航向誤差為Δφa，安裝誤差引起的載體安裝誤差為Δφb，載體航程為D，則此狀態(tài)下引起的定位誤差為：

（2）速度誤差引起的定位誤差。設(shè)DVL輸出速度誤差為Vn，其它因素引起的速度誤差為Vm，載體航行速度為V，則速度誤差引起的定位誤差為：

由式（8）、式（9），載體定位誤差為：

4 仿真分析

4.1 仿真條件設(shè)置

（2）設(shè)MEMS-IMU器件水平姿態(tài)RMS誤差為0.2°，方位RMS誤差為0.5°，深度傳感器誤差為0.1m，在水面時(shí)GPS定位誤差為10m，AUV速度誤差為0.1m/s，航速8節(jié)，AUV在水下運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，航程共3.6km，姿態(tài)誤差、速度誤差、位置誤差分別如圖4、圖5、圖6所示。

4.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)圖2可知，在器件安裝誤差一定時(shí)，航速越大定位誤差越小。

圖2 不同航速時(shí)系統(tǒng)定位誤差

圖3 AUV水下運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 AUV姿態(tài)誤差

圖5 AUV速度誤差

圖6 AUV位置誤差

根據(jù)圖4、圖5、圖6可知，AUV在水下航行過(guò)程中，載體姿態(tài)誤差和速度誤差均可收斂至一定的誤差范圍，位置誤差隨著時(shí)間的推移逐漸增大；在831s時(shí)，AUV航行至水面，GPS可接收到位置信息進(jìn)行誤差修正，此時(shí)，載體的姿態(tài)、速度、位置誤差均收斂至較小的誤差范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的MEMS-IMU/DVL/深度傳感器/GPS的組合導(dǎo)航方法可有效的解算出AUV的姿態(tài)、速度、位置等信息。對(duì)于導(dǎo)航精度要求較高的環(huán)境，可通過(guò)AUV定期上浮進(jìn)行位置誤差修正以提高系統(tǒng)導(dǎo)航定位的精度。