基于测速误差预补偿的水下航行体组合导航技术.docxVIP

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基于测速误差预补偿的水下航行体组合导航技术

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舒旭光

摘要：针对水下航行体INS/DVL组合导航系统，提出了基于DVL测速误差预先补偿的卡尔曼滤波方案，介绍了测速误差预先补偿方法和补偿措施。通过试验验证，基于DVL测量速度误差预先补偿的组合导航技术改善了系统滤波收敛特性，提高了导航定位精度。

关键词：水下航行体；组合导航；预先补偿；卡尔曼滤波

中图分类号：TN966?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）13?0139?04

Integratednavigationtechnologyforunderwatervehiclesbasedon

pre?compensationofvelocitymeasurementdeviation

SHUXu?guang

（710thResearchInstitute，Yichang443000，China）

Abstract：ForINS/DVLintegratednavigationsysteminalong?distanceunderwatervehicle，theschemeofKalmanfilteringbasedonthepre?compensationofvelocitymeasurementdeviationgeneratedbyDVLisproposed.Themethodsandmeasuresofpre?compensationofthevelocitymeasurementdeviationareintroduced.Thetestvalidationresultshowsthattheintegratednavigationtechnologybasedonpre?compensationofthevelocitymeasurementdeviationcausedbyDVLcanimprovethefilteringconvergencefeaturesandthenavigationaccuracyofthesystem.

Keyword：underwatervehicle；integratednavigation；pre?compensation；Kalmanfiltering

0引言

适应于水下的导航技术包括惯性导航技术、多普勒速度仪测量速度的推算导航技术、海底地形匹配导航技术、地磁匹配导航技术、水下图像匹配定位技术等。惯性导航系统（INS）具有自主、不受外界干扰、隐蔽性好、信息全面等优点，已成为主要导航系统[1?2]。但是INS导航误差随着时间累积[3?4]，在水下远程航行体长时间巡航过程中难以保证高精度导航。多普勒速度仪（DVL）通过测量多普勒频移获得航行体的运动速度，具有测速精度高，测速误差不随时间积累的优点[5]，但DVL需要外部的航向和垂直基准信息完成推算导航。水下远程航行体采用INS/DVL组合导航是一种理想的选择[6]，INS/DVL组合导航发挥了INS和DVL各自的优势，克服INS和DVL单个导航系统的不足，实现水下长时间高精度导航定位。

1组合导航系统的特点

水下远程航行体组合导航系统由激光陀螺INS、相控阵DVL组成。INS通过激光陀螺和石英挠性加速度计测量航行体的角速度和加速度，实现初始对准、惯性导航算法，并接收DVL测量的载体速度，实现组合导航计算，输出离底高度以及经修正的位置、速度、角速度、航向和姿态信息。水下远程航行体惯性制导控制系统根据预先装订的航路点等控制参数，结合INS/DVL组合导航系统和深度传感器提供的信息，完成航路点制导控制和适应海底地形的寻深控制，使航行体准确自航至目标航路点。

激光陀螺的工作原理是利用光程差来测量旋转角速度的Sagnac效应。不同于传统的机电陀螺，激光陀螺没有高速转动的转子，具有动态范围宽、精度高、瞬时启动、环境适应性强、可靠性高、寿命长等优点，是理想的惯性敏感器件。相控阵DVL的最大优点是只需用一个平面基阵进行相控发射和接收，从工作机理上自动消除了水中声速变化这一影响速度测量的因素，不再需要进行声速补偿[7]。在波束宽度和工作频率相同的情况下，平面相控阵的体积是多个独立换能器构成的基阵四分之一；而在波束宽度和基阵尺寸相同的情况下，平面相控阵可用更低的工作频率，因而可达到大得多的工作距离。因此，相控阵多普勒测速技术非常适合水下航行体使用。

2DVL测速误差预先补偿

根据声学多普勒速度仪的工作原理，在载体存在纵摇和横摇的情况下，多普勒