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基于非刚性MBES数字孪生的自主地形辅助导航算法研究

摘要

随着海洋资源开发的不断深入，自主水下航行器（Autonomousunderwatervehicle，

AUV）对水下导航系统提出了更为迫切和复杂的要求。地形辅助导航（Terrain-aided

navigation，TAN）作为水下导航中常用的校正和误差抑制手段，虽被广泛应用和研究，

但也存在相应的挑战性问题。传统TAN方法通常基于假设地形测量数据准确以及参考

导航系统正常工作，过度依赖外部环境数据和参考导航系统支持，其自主性较差。在紧

急启动、海洋环境变化或参考导航失效等复杂工况下，传统TAN很难实现独立的导航

能力，并无法有效纠正和抑制参考导航误差，从而使其失去核心的辅助导航能力。此外，

MBESTAN

由于多波束回声测深仪（）的广泛应用，导致计算数据量大幅增加，以及中

复杂的计算流程和为了应对这类复杂工况而进一步增强的TAN算法模型，TAN实时计

算能力也因此面临着挑战。

围绕现有TAN算法误差模型假设过于简单、过度依赖外部环境数据和参考导航系

统支持，无法在复杂工况下正常导航的问题，以及为了解决此类问题而产生的实时性问

题。开展相应的问题分析和算法研究，并通过仿真实验开展有效性验证工作。论文的主

要工作如下：

1MBES

（）基于高度场辅助的声线步进并行仿真模型研究

针对引入MBES数字孪生模型进行粒子滤波计算，以及MBES长距离探测距离和

水下复杂声学环境带来的实时仿真模型计算效率问题，基于计算机图形学中常用的射线

步进算法，通过针对水下声呐仿真场景的适应性改进，提出基于距离辅助的声线步进算

法。并在此基础上，通过对长距离实时水下声呐仿真模型的问题分析，进一步改进声线

交点检测和场景构建模型，从而提出更适合并行计算的基于高度场辅助的声线步进算法，

解决MBES数字孪生导航带来的实时性问题，为MBES数字孪生构建奠定基础。

2PF-TAN

（）基于非刚性地形变换模型的算法研究

针对地形辅助导航中MBES测量模型不准确，导致TAN无法校正由于外部环境缺

PFParticle

失引起的非刚性地形变换误差的问题，提出一种基于非刚性地形变换模型的（

filter）-TAN算法。通过引入传播距离衰减系数和波束入射角系数，构建了非刚性地形

TANMBESSVPSoundvelocityprofile

变换模型，以提高中测量模型的准确性，校正（）

缺失而产生的非刚性测量误差。这样可以解决对外部环境数据依赖的问题，并为MBES

数字孪生中参数估计提供支持，进一步降低进行MBES测量模拟所需参数。

哈尔滨工程大学博士学位论文

3MBESTAN

（）非刚性数字孪生构建与算法研究

针对地形辅助导航过于依赖外部参考导航系统，导致其无法在参考导航系统失效时

正常工作，难以在复杂工况下校正参考导航系统的问题。基于数字孪生技术，提高对

MBES测量信息的利用效果，提出基于非刚性MBES数字孪生的自主地形辅助导航算

法。其中，结合非刚性地形变换模型构建MBES