自主水下航行器的组合导航系统综述
发布时间：2021-12-11 05:29
由于GPS和无线电信号在水下严重衰减,因此以惯性导航为核心,加以其他辅助导航设备的组合导航系统正适用于自主水下航行器的使用环境。回顾了近年自主水下航行器组合导航的最新进展,为将自主水下航行器应用于军用和民用等领域的研究学者提供了参考。首先,总结了国内外近十年来自主水下航行器组合导航方法,如INS/APS组合导航、INS/GPS组合导航、INS/DVL组合导航、INS/地球物理组合导航和INS/SLAM组合导航;介绍了各种自主水下航行器组合导航系统的基本原理和关键技术问题的解决方案;总结对比了其优缺点和发展趋势;最后给出了未来自主水下无人航行器组合导航面临的挑战。
【文章来源】：导航定位与授时. 2020,7(05)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
捷联惯性导航系统框图
图2 声学导航定位系统示意图USBL因体积小、安装方便、成本低等优势,被广泛应用于辅助INS导航。张涛等[5]基于SINS/USBL组合导航系统成功检测出USBL系统定位故障并及时进行隔离,姿态误差和速度误差在故障发生和消失时刻由于系统重构出现轻微跳动,其他时刻均保持较高精度,当故障消失时位置误差又恢复到正常量级(5～10m)。Xu等[6]为了解决AUV在深海域航行时,USBL辅助INS出现的信号丢失、定位和噪声突变问题,提出了一种自适应增益扩展Kalman滤波器(Condition-Adaptive Gain Extended Kalman Filter,CAEKF),南海实测证明了该算法优于标准导航算法和其他经典滤波方法。USBL的角度失准误差是INS/USBL定位系统的主要误差源之一,Tong等[7]研究了操作简单、易于实现的基于传统单应答器的双矢量重构方法,在航行过程中对水下应答器进行USBL解算的同时,记录USBL载体在参考坐标系下的坐标值,并通过3个点构建2个共点的矢量,再对构建矢量进行相关性判断,达到对USBL收发基阵安装误差估计精度的控制,进而提高了组合导航精度。
由于海水对无线电信号的衰减作用,GPS接收机无法在水下使用,所以用于AUV的GPS辅助惯性导航系统仅适用于浅水应用,并且AUV需要定期浮出水面以接收来自GPS的定位信号。Yun等[14]将INS/GPS(图4)引入到小型AUV导航中,开发了异步Kalman滤波器以改善位置估计精度。测试结果表明,结合间歇接收差分全球定位系统(Differential Global Position System,DGPS)信号使用低成本IMU进行导航是可行的。Hu等[15]使用改进的UKF,以更低的计算成本实现了更高的INS/GPS集成导航精度。在文献[16]中,基于Kalman滤波与径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络,结合小波分析用于SINS/GPS组合导航的数据融合,显著提高了AUV的定位精度。文献[17-18]提出了集成多个INS传感器和GPS的AUV组合导航系统,通过模糊逻辑的自适应Kalman滤波器(Adaptive Kalman Filter,AKF)进行多传感器数据融合,实际海试表明,INS/GPS导航系统的性能得到了增强[17-18]。Liu等[19]提出了一种带衰减因子的基于AKF的自适应INS/GPS组合导航方法来抑制噪声。
【参考文献】：
期刊论文
[1]AUV导航技术发展现状与展望[J]. 魏博文,吕文红,范晓静,朱友康,郭银景. 水下无人系统学报. 2019(01)
[2]自主水下航行器同时定位与制图技术研究[J]. 潘爽,施建礼,聂永芳,王希彬. 舰船科学技术. 2018(11)
[3]基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统[J]. 张涛,胡贺庆,王自强,刘强. 中国惯性技术学报. 2016(06)
[4]基于UKF的SINS/LBL水下AUV紧组合定位技术[J]. 张涛,石宏飞,陈立平,刘强. 中国惯性技术学报. 2016(05)
[5]基于北斗系统的AUV导航定位系统设计与实现[J]. 马腾飞,匡兴红,赵梦晗,张强,徐丽婷. 全球定位系统. 2016(04)
[6]基于惯导及水下声学辅助系统的AUV容错导航技术[J]. 张涛,徐晓苏,李瑶,宫淑萍. 中国惯性技术学报. 2013(04)
[7]基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用[J]. 刘明,张严,徐德民. 鱼雷技术. 2011(04)
[8]基于SLAM算法的AUV组合导航系统[J]. 刘明雍,王小峰. 火力与指挥控制. 2010(08)
[9]水下航行器INS/GPS/DVL组合导航方法[J]. 王小峰. 鱼雷技术. 2010(04)
[10]一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法[J]. 张加全,刘明雍,李闻白. 鱼雷技术. 2010(02)
硕士论文
[1]基于水下航行器的SINS/DVL组合导航技术研究[D]. 谢连妮.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：3534093
【文章来源】：导航定位与授时. 2020,7(05)
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
捷联惯性导航系统框图
图2 声学导航定位系统示意图USBL因体积小、安装方便、成本低等优势,被广泛应用于辅助INS导航。张涛等[5]基于SINS/USBL组合导航系统成功检测出USBL系统定位故障并及时进行隔离,姿态误差和速度误差在故障发生和消失时刻由于系统重构出现轻微跳动,其他时刻均保持较高精度,当故障消失时位置误差又恢复到正常量级(5～10m)。Xu等[6]为了解决AUV在深海域航行时,USBL辅助INS出现的信号丢失、定位和噪声突变问题,提出了一种自适应增益扩展Kalman滤波器(Condition-Adaptive Gain Extended Kalman Filter,CAEKF),南海实测证明了该算法优于标准导航算法和其他经典滤波方法。USBL的角度失准误差是INS/USBL定位系统的主要误差源之一,Tong等[7]研究了操作简单、易于实现的基于传统单应答器的双矢量重构方法,在航行过程中对水下应答器进行USBL解算的同时,记录USBL载体在参考坐标系下的坐标值,并通过3个点构建2个共点的矢量,再对构建矢量进行相关性判断,达到对USBL收发基阵安装误差估计精度的控制,进而提高了组合导航精度。
由于海水对无线电信号的衰减作用,GPS接收机无法在水下使用,所以用于AUV的GPS辅助惯性导航系统仅适用于浅水应用,并且AUV需要定期浮出水面以接收来自GPS的定位信号。Yun等[14]将INS/GPS(图4)引入到小型AUV导航中,开发了异步Kalman滤波器以改善位置估计精度。测试结果表明,结合间歇接收差分全球定位系统(Differential Global Position System,DGPS)信号使用低成本IMU进行导航是可行的。Hu等[15]使用改进的UKF,以更低的计算成本实现了更高的INS/GPS集成导航精度。在文献[16]中,基于Kalman滤波与径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络,结合小波分析用于SINS/GPS组合导航的数据融合,显著提高了AUV的定位精度。文献[17-18]提出了集成多个INS传感器和GPS的AUV组合导航系统,通过模糊逻辑的自适应Kalman滤波器(Adaptive Kalman Filter,AKF)进行多传感器数据融合,实际海试表明,INS/GPS导航系统的性能得到了增强[17-18]。Liu等[19]提出了一种带衰减因子的基于AKF的自适应INS/GPS组合导航方法来抑制噪声。
【参考文献】：
期刊论文
[1]AUV导航技术发展现状与展望[J]. 魏博文,吕文红,范晓静,朱友康,郭银景. 水下无人系统学报. 2019(01)
[2]自主水下航行器同时定位与制图技术研究[J]. 潘爽,施建礼,聂永芳,王希彬. 舰船科学技术. 2018(11)
[3]基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统[J]. 张涛,胡贺庆,王自强,刘强. 中国惯性技术学报. 2016(06)
[4]基于UKF的SINS/LBL水下AUV紧组合定位技术[J]. 张涛,石宏飞,陈立平,刘强. 中国惯性技术学报. 2016(05)
[5]基于北斗系统的AUV导航定位系统设计与实现[J]. 马腾飞,匡兴红,赵梦晗,张强,徐丽婷. 全球定位系统. 2016(04)
[6]基于惯导及水下声学辅助系统的AUV容错导航技术[J]. 张涛,徐晓苏,李瑶,宫淑萍. 中国惯性技术学报. 2013(04)
[7]基于图像声纳SLAM算法在AUV组合导航中的应用[J]. 刘明,张严,徐德民. 鱼雷技术. 2011(04)
[8]基于SLAM算法的AUV组合导航系统[J]. 刘明雍,王小峰. 火力与指挥控制. 2010(08)
[9]水下航行器INS/GPS/DVL组合导航方法[J]. 王小峰. 鱼雷技术. 2010(04)
[10]一种基于单移动GPS智能浮标的AUV导航方法[J]. 张加全,刘明雍,李闻白. 鱼雷技术. 2010(02)
硕士论文
[1]基于水下航行器的SINS/DVL组合导航技术研究[D]. 谢连妮.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：3534093
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