多舰艇协同导航误差分析与算法研究

发布时间：2017-04-14 02:17

  本文关键词：多舰艇协同导航误差分析与算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为维护国家的军事安全及领土主权的重要工具之一，水面无人艇现在正受到越来越多的重视。随着任务要求越来越高，具有低成本、高性能的多无人艇系统正成为研究热点，而高精度的导航定位是多无人艇系统完成任务的必要保障。本文针对多无人艇系统，对多无人艇协同导航定位技术展开研究。论文的主要工作有： 1、针对主从式协同导航定位系统中领航艇的SINS/DVL组合导航定位系统进行研究。分析了SINS和DVL的基本工作原理，推导了惯导基本方程及DVL的速度计算公式，建立了DVL误差模型；重点研究了在大失准角条件下基于欧拉平台误差角的SINS误差模型，推导了其误差方程；最后建立了SINS/DVL组合导航系统模型，并进行了仿真分析。 2、从影响协同导航测距精度的角度，对影响协同导航定位精度的因素（包括声速误差、时钟同步、时间延迟等）分别进行了定量或定性分析，并对协同导航系统中跟随艇上所使用的航位推算方法进行了误差分析。 3、针对多无人艇系统中存在的多领航艇和单领航艇两种协同导航定位方法，展开了深入研究。分别介绍了基于多领航艇和单领航艇方法的协同导航定位原理，建立了两者的定位模型，并给出了基于EKF的协同导航定位算法，仿真结果表明，多领航艇和单领航艇协同导航定位算法都能对跟随艇进行有效定位。并运用非线性可观测性理论，对单领航艇协同导航系统的可观测性进行了分析，，结果表明在运用EKF滤波器时，需要进行适当的路径规划以提高系统的定位精度。 4、针对在实际工作中所存在的时间延迟对多无人艇系统协同定位造成的影响，研究了基于延时的多无人艇协同导航定位算法。首先针对状态补偿法，推导了时间延迟下的一步预测状态误差，给出了基于状态补偿的DEKF算法设计，通过仿真证明了状态补偿算法能对由时间延迟引起的协同定位误差进行有效补偿；由于状态补偿法得到的估计不是最优估计，随后提出了一种基于量测更新的协同定位方法，将延时信息引入状态方程、量测方程中，完成系统方程的重构，然后重新推导了系统的状态估计公式，最终给出了滤波增益和状态估计均方差公式，仿真证明量测更新法比状态补偿法效果更好，能大大提高时延下的协同导航定位精度。
【关键词】：协同导航 组合导航 协同定位误差 延时滤波
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U674.703.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 水面无人艇的发展概况11
• 1.3 多机器人系统的发展概况11-15
• 1.3.1 多 AUV 系统发展现状11-13
• 1.3.2 多机器人协同导航定位算法发展现状13-15
• 1.4 论文的主要研究内容15-17
• 第2章 SINS/DVL 组合导航系统分析17-33
• 2.1 捷联惯性导航系统介绍17-21
• 2.1.1 基本工作原理17-18
• 2.1.2 常用坐标系与坐标系转换关系18-20
• 2.1.3 惯导基本方程20-21
• 2.2 多普勒计程仪21-24
• 2.2.1 基本工作原理21-22
• 2.2.2 速度计算公式22-23
• 2.2.3 误差模型23-24
• 2.3 基于欧拉平台误差角的 SINS 误差模型24-27
• 2.3.1 欧拉平台误差角微分方程24-25
• 2.3.2 姿态误差方程25-26
• 2.3.3 速度误差方程26-27
• 2.3.4 位置误差方程27
• 2.4 SINS/DVL 组合导航系统模型27-32
• 2.4.1 扩展卡尔曼滤波28
• 2.4.2 状态方程28-29
• 2.4.3 量测方程29
• 2.4.4 仿真分析29-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 协同导航系统误差因素分析33-48
• 3.1 协同导航定位方法介绍33-34
• 3.1.1 RSS 方法33-34
• 3.1.2 AOA 方法34
• 3.1.3 TOA 方法34
• 3.2 协同导航定位误差因素分析34-44
• 3.2.1 声速误差对水声测距的影响35-38
• 3.2.2 时钟同步38-42
• 3.2.3 时间延迟误差分析42-44
• 3.3 航位推算44-47
• 3.3.1 航位推算原理44-45
• 3.3.2 航位推算误差分析45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 协同导航定位算法研究48-64
• 4.1 基于多领航艇的协同导航定位技术48-55
• 4.1.1 多领航艇协同导航定位原理48-49
• 4.1.2 多领航艇协同导航定位模型49-50
• 4.1.3 基于 EKF 的多领航艇协同导航定位算法50-51
• 4.1.4 多领航艇协同导航定位仿真51-55
• 4.2 基于单领航艇的协同导航定位技术55-63
• 4.2.1 单领航艇协同导航定位原理55
• 4.2.2 单领航艇协同导航定位模型55-56
• 4.2.3 可观测性分析56-59
• 4.2.4 单领航艇协同导航定位仿真59-63
• 4.3 本章小结63-64
• 第5章 基于时间延迟的协同导航定位算法研究64-79
• 5.1 基于状态补偿的协同导航延时滤波算法64-69
• 5.1.1 状态补偿 DEKF 算法65-67
• 5.1.2 仿真分析67-69
• 5.2 基于量测更新的协同导航延时滤波算法69-78
• 5.2.1 基于时间延迟的系统状态方程重构69-70
• 5.2.2 基于时间延迟的系统量测方程重构70-72
• 5.2.3 量测更新 DEKF 算法72-75
• 5.2.4 仿真分析75-78
• 5.3 本章小结78-79
• 结论79-80
• 参考文献80-84
• 攻读硕士学位期间的发表论文和取得的科研成果84-85
• 致谢85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张立川;刘明雍;徐德民;严卫生;;基于水声传播延迟的主从式多无人水下航行器协同导航定位研究[J];兵工学报;2009年12期

2 李闻白;刘明雍;张立川;刘富樯;;单领航者相对位移测量的多自主水下航行器协同导航[J];兵工学报;2011年08期

3 杨鹏翔;秦永元;周琪;赵长山;;基于欧拉角微分模型的捷联惯导直接非线性对准方法[J];传感技术学报;2011年03期

4 王素丽;;国外无人水面艇一瞥[J];航海;2006年06期

5 段世梅;康凤举;王彦恺;;基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航技术[J];火力与指挥控制;2009年12期

6 李家良;;水面无人艇发展与应用[J];火力与指挥控制;2012年06期

7 谭红力;黄新生;岳冬雪;;基于捷联惯导高保真误差模型的非线性滤波算法[J];航天控制;2008年03期

8 张立川;徐德民;刘明雍;严卫生;;基于移动长基线的多AUV协同导航[J];机器人;2009年06期

9 卢健;徐德民;张福斌;张立川;;异时量测序贯处理的多AUV协同导航[J];计算机工程与应用;2011年31期

10 马伟佳;庞永杰;杨衡;吉春正;杜鑫;;水面无人艇在风干扰下的操纵性能仿真[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2012年02期

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1 张爱军;水下潜器组合导航定位及数据融合技术研究[D];南京理工大学;2009年

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本文编号：304998