基于单声源与虚拟基元辅助SINS的被动水声定位技术研究

发布时间：2020-07-20 19:15

【摘要】：AUV是目前开发海洋资源、调查海洋环境以及利用海洋空间的关键性装备,而保障其高精度、高稳定性、高隐蔽性地自主导航定位和执行水下任务也成为各国的研究重点。SINS拥有高自主、高隐蔽、输出参数全面等优点,但其定位误差随时间积累;LBL定位系统可完成水下载体的精确定位,但基阵阵元的布放、校准以及回收耗时耗力;USBL定位系统虽避免了大量基元的布放,但引入了严重的测向误差。因此利用多源信息融合来提高AUV导航定位精度以及可靠性的研究逐渐走入时代前沿。论文结合了LBL基阵大、精度高的优点和USBL单声源、单应答器的配置,设计了使用单声源和虚拟基元迭代来辅助SINS的组合导航定位方法,并结合其他水下辅助导航设备,建立了SINS/虚拟基元/DVL/MCP/深度计的组合导航模型,避免了LBL基元的布放以及USBL的测向操作,通过迭代方式实现了AUV水下实时性、高精度、高隐蔽性的导航定位需求。论文的主要研究内容包括:第一,详细调研了国内外AUV设备的发展现状和各类导航算法的研究现状。针对水下实际环境,分析了水下声线的各种特性,尤其对多径效应,声线弯曲等主要问题进行了详细介绍,为提高声学定位精度做好了前期理论准备工作。同时为了后续的声学定位能仿真出较真实的水下环境,研究了水下射线声学理论,并使用Bellhop软件模拟水下信道,从而得到了合理的接收信号。第二,针对水下噪声和多径效应对时延差测量的影响,采用SCOT频域加权互相关算法,降低了伪峰幅值,有效锐化了真实峰并得到了更高精度的时延差。针对水下声速分布不均的情况,利用分层等梯度声速跟踪算法对声源位置进行校准,提高了校准精度。这些水下声学误差修正技术都为之后的高精度定位奠定了良好的基础。随后概述了常规情况的LBL和USBL系统的导航原理,并针对这两个系统中存在的优缺点,设计了基于高斯-牛顿迭代的虚拟基元投影、基于周期移动时间窗的VLBL等虚拟基元迭代定位技术。第三,提出了一种基于SINS/虚拟基元/DVL/MCP/深度计的组合导航模型,设计了基于集中卡尔曼滤波的信息融合算法,并推导了其状态方程和观测方程。最后,对基于高斯-牛顿迭代的虚拟基元投影、基于周期移动时间窗的VLBL两种不同的虚拟基元迭代技术辅助SINS定位的组合导航方式进行了仿真试验,仿真结果表明引入虚拟基元迭代技术,有效修正了SINS的位置误差,提高了AUV水下导航定位精度。整个导航系统能够满足AUV水下导航定位的实时性、高隐蔽性、高精度等需求。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U666
【图文】：

环境文件,声速分布,仿真环境

图 2-6 环境文件图的仿真环境文件（*.env）为实测的某个湖区域的声速分布，:1440 1450 1460 1470 1480 1490 1500 1510 15200510152025303540Sound Speed (m/s)Depth(m)

声源,实物

0.0068 0.00090.0105 0.0011两幅图和误差对比表明，经过 SCOT 频域加权后的互相关函数可以相关峰附近的伪峰的幅值，有效减小了多途效应引起的多相关峰对并且该方法得出的时延差相较于传统算法也更为精确。波定位系统仿真不能完全模拟出水下环境中各种边界条件引起的折射反射、内播过程中的衰减和吸收等诸多问题，因此论文在室内环境情况下，，通过实验室的超声波定位系统进行半物理实验的方式来验证 SCO。设备包括 1 个声源装置、5 个声接收装置和 1 个 A/D 转换装置。源装置装置由电源模块、主控模块、信号源模块、功放模块和超高频喇叭图 3-5 所示：

接收装置,实物,声源

第三章水声误差修正技术研究持 220V 交流供电，支持输出声源 360°范围发射，且带内，声源距接收装置 20m 以内时，接收装置输出电压不低于 20m分室内环境中，各方位都能够保证接收到足够强度的声信号。持输出、储存最高频率为 25KHz 且周期和脉宽可调的 CW 信ms 到 10s，最小步进 500ms 可调，脉宽 20ms 到 2s，最小步进的可调节范围确保了实验对绝大部分 CW 信号的支持，为信间。持信号源的输出监测，确保了对声源信号有效的监控。装置置由电源模块、麦克风、增益控制模块、接线端子和信号调理图 3-6 所示：

【参考文献】