水下无人航行器组合导航研究

本科毕业设计论文题目水下无人航行器组合导航研究
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间2014.06
毕业
任务书
一、题目
水下无人航行器组合导航研究
二、指导思想和目的要求
1.利用已有的专业知识，培养学生的解决实际工程问题的能力
2.锻炼学生的科研工作能力和培养学生团队合作及攻关能力
三、主要技术指标
1.捷联惯导原理分析及模型建立
2.应用卡尔曼滤波方法建立组合导航系统模型
3.应用matlab进行仿真实现
四、进度和要求
第01周----第02周：撰写开题报告；
第03周----第05周：组合导航相关基础知识学习；
第06周----第07周：熟悉Matlab等相关软件；
第08周----第13周：设计组合导航滤波方案和滤波器结构；
第14周----第16周：对设计方案进行实验验证；
第17周----第18周：撰写毕业设计论文，论文答辩。

五、主要参考书及参考资料
[1]胡小平．自主导航理论与应用．国防科技大学出版社．2002.
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I
[7]Kalman R E. A new approach to liner filtering and prediction problems
Journal of Basic Engineering Trans.On ASME. 1960.
学生___________ 指导教师___________ 系主任___________
II
摘要
传统的导航系统很难满足水下航行器精确导航定位的要求，尤其在长续航、大航程时问题尤为突出。

本文结合国内外导航技术发展的实际状况和发展方向，同时考虑水下航行器使用的特殊性，设计了水下航行器组合导航系统，通过定时引入GPS导航信息，解决了捷联惯导和多普勒组合导航情况下，定位误差随时间而积累的问题，通过仿真研究，结果表明本文所研究的设计方案合理，能够效提高长续航、大航程时水下航行器的定位精度。

全文理论研究工作和研究成果如下：
1 水下航行器的捷联惯导系统设计。

详细推理了捷联惯导系统的基本导航算法,进行了捷联惯导基本的位置、速度、姿态的公式推理。

并系统分析了捷联式惯导系统的误差特性，同时建立了其误差模型方程。

2研究了全球定位系统(GPS)和多普勒导航系统。

对全球定位系统和多普勒导航系统导航定位的基本组成、导航原理进行了研究，分析了其误差来源并建立了相应的误差基本模型。

3设计了水下航行器组合导航系统。

在综合各种导航系统误差的基础上，针对长续航、大航程水下航行器的导航特点，通过航行器定时上浮接受GPS导航信息，设计了水下航行器组合导航系统。

仿真结果表明在定时引入GPS导航信息后，该导航系统能够使水下航行器定位精度有很大提高，基本克服了SINS/DVL 组合导航系统中定位误差随时间累积的问题。

关键词:水下航行器，捷联惯性导航，GPS，多普勒导航，组合导航
III
ABSTRACT
As the traditional Navigation System can’t satisfy the requirements of the Navigating position of the Autonomous Underwater Vehicles(AUV),especially in the long time and long range travel. Based on the practical thing and the developments of navigation technique,we design the Integrated Navigation System of the AUV in this paper. Using timing introducing GPS navigation information,we solve the question of the positional error accumulated with the time due to strapdown inertial navigation system(SINS) and DoppIer Navigation System.And by means of simulation study,the result indicates that the design method in this paper is proper,which can increase the positioning accuracy of UA V in the long time and long range travel.
The main research work is done as follows:
Design the strapdown inertial navigation system of AUV. The basic navigation algorithm of SINS is inferenced detailedly.We make the formula derivation of the basic position, speed and attitude of the strapdown inertial navigation,and analysis the error characteristics of SINS systematically.And at the same time we establish its error model equation.
Research the composition of GPS,the basic principle of navigation position一setting,and the analysis of data error.Aimed at the different error source,this paper establish the variant basic error model.This paper detailedly Introduce the Doppler velometer, electric gyrocompass and strapdown flux一gate azimuth finder,and so on,which compose the Doppler navigation system.Research the operating principle and error source of the subsystem. Deduce the error formula,and establish its error model.
Design of the Integrated Navigation system of AUV. Based on the various navigation system error,aimed at the navigation characteristic in the long time and long range travel,by means of the vehicle receiving the GPS Navigation information by timing rise,we design the Integrated Navigation System.The simulation result
IV
shows that after timing introducing GPS Navigation information this navigation system can increase the positioning accuracy evidently,and overcome the question of the positional error accumulated with the of time in SINS/DVL Integrated Navigation.
KEY WORDS: AUV，SINS ，GPS ，doppler ，navigation system integrated navigation
V
目录
第一章绪论 (8)
1.1导航系统的发展概述 (8)
1.2水下航行器的发展与趋势 (11)
1.3惯性组合导航在水下航行器中应用的背景及意义 (13)
1.4组合导航系统的构成方法和功能 (14)
1.5论文的研究内容及结构安排 (15)
第二章捷联惯导系统 (16)
2.1引言 (16)
2.2坐标系及其转换 (16)
2.2.1坐标系定义 (16)
2.2.2坐标转换关系 (17)
2.2.3地球参数 (20)
2.3捷联惯导力学编排方程 (21)
2.3.1姿态更新算法 (21)
2.3.2速度更新算法 (24)
2.3.3位置更新算法 (25)
2.4捷联惯导误差分析 (26)
2.4.1惯性器件误差模型 (26)
2.4.2捷联惯导误差方程 (27)
2.5捷联惯导算法仿真与分析 (31)
2.5.1运动轨迹生成 (31)
2.5.2捷联惯导算法误差的仿真与分析 (32)
第三章DVL和GPS卫星导航系统 (36)
3.1 多普勒计程仪 (36)
VI
3.2 全球卫星定位系统GPS (38)
3.2.1引言 (38)
3.2.2GPS工作原理及特点 (38)
3.2.3GPS导航误差来源 (41)
3.2.4GPS误差模型 (43)
3.3本章小结 (44)
第四章组合导航系统 (45)
4.1序言 (45)
4.2卡尔曼滤波算法 (45)
4.3系统方程的离散化 (47)
4.4组合导航系统模型 (48)
4.4.1INS/DVL组合导航系统模型 (48)
4.5INS/GPS/DVL组合导航系统模型 (51)
4.5.1状态方程 (51)
4.5.1量测方程 (53)
4.6组合导航系统仿真 (54)
参考文献 (58)
致谢............................................................................................ 错误！未定义书签。

毕业设计小结 . (61)
VII
第一章绪论
导航就是指引一个运动物体从某个位置出发，安全且高效地到达某目的地。

按照近代科技术语，导航的主要工作就是定位、定向、授时和测速。

能够有效完成上述功能的系统即为导航系统。

1.1导航系统的发展概述
自古以来，人们就一直利用天上的星星进行导航，随着社会及科技的进步，导航发展成为一门专门研究导航原理方法和导航技术的学科。

能够有效完成导航所需的信息测定、完成导航任务的物理原理和技术方法很多，同时也出现了各种类型的导航系统。

本小节简要介绍一下较为常用的各类导航系统的原理组成及其优缺点。

(1)天文导航
通过观测星辰日月等天体来确定航行体的位置以引导航行体沿预定航线到
达目的地的是天文导航的基本原理。

我国宋代的中国四大发明之一的指南针以及欧洲18世纪出现的船用测角仪器六分仪都是天文导航设备。

船用测角仪器六分仪和精确计时器航海天文钟的出现,使天文测船位的精度明显提高。

六分仪至今仍是现代舰船必备的导航仪器。

为了改变六分仪只能在白天观测太阳，本世纪60年代出现了全自动化高精度的星体跟踪器星体跟踪器。

在白天能观测三等星,晚上能观测七等星，并具有自动寻星搜索跟踪和解算等功能。

天文导航的优点是导航仪器简单可靠，测定位置时不用电源，不需陆岸设备，定位精度不受离航起点距离远近的影响等；主要缺点是不能连续定位，工作受星体可见度的限制，观测不到星体时，就无法工作。

天文导航随着现代科学技术特别是计算机科学、微电子技术的发展，正在朝着改进导航设备采用电子计算机以及采用与惯性导航系统综合等手段来提高观测的精度、扩大使用范围、突破天气限制和实现自动化。

(2)惯性导航
8
惯性导航系统是本世纪发展起来的。

基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速度计等惯性元件感受运行体在运动中的加速度。

然后通过计算机进行积分运算，从而得到运动体的位置和速度等导航参数。

从结构上说惯导系统有两大类:平台式惯导和捷联式惯导。

平台式惯导系统中，导航平台的主要功能是模拟导航坐标系，把导航加速度计妙测量轴稳定在导航坐标系的轴向，使其能直接测量航行体在导航坐标系轴向的加速度。

并且可以用几何的方法从平台的框架轴上直接拾取航行体的姿态和航向信息。

捷联式惯导系统是把加速度计和陀螺仪直接固连在载体上,通过载体上的计算机，实时计算姿态矩阵用姿态矩阵，把导航加速度计测量的航行体沿载体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。

与此同时从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息。

在捷联惯导系统中喷导平台的功能是由计算机来完成的。

有时也称作“数学平台”。

惯性导航是一种完全自主式的导航方法，它完全依靠机载设备自主地完成导航任务，和外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性好，工作不受外界环境的限制。

这一独特的优点，使其成为航空、航天和航海领域中的一种广泛使用的主要的导航方法。

同时，由于要求组成惯导系统的惯性元件具有很高的精度，带来了惯性元件研制制造周期长，价格昂贵。

(3)无线电导航
无线电导航是以无线电电波传播规律为基础，利用陆地上及航行体上的发射和接收设备，测定航行体相对参考点的几何位置(方位距离差等)来确定航行体
的位置，达到定位及导航目的的。

主要优点是不受气象条件和视线距离的限制，测量迅速，容易实现自动化，精度较高，可靠性较好；不足之处是易受人为、地域或自然的干扰，战时易被敌方破坏和利用。

按照所测电参量的不同，无线电导航系统分为振幅系统、相位系统、脉冲系统频率系统和综合系统。

现在世界上应用较多的有罗兰一C脉冲相位式系统，奥米加、台卡相位系统等。

罗兰-C是双曲线导航系统，特点是1)采用l00Hz低频率，传播距离远采用相位技术，提高了测量精度，同时并采用测脉冲时差的方法，以消除测量相位的多样性。

罗兰-C是一种脉冲相位综合测量系统，作用距离可达2200mk，定位精度为460m。

奥米加系统是一种超远程无线电导航系统，它工作在甚低频频段，传播距离远，仅用8个地面台就可覆盖全球，可以用作全球的导航定位，特别是还可用于水下的导航定位。

缺点是定位精度较低为3.7-7.4km。

(4)卫星导航
卫星导航是天文导航和无线电导航的结合物，相当于把无线电导航台放到了人造地球卫星上。

其代表为全球定位系统(GPS)，这是美国国防部研制的第二
代卫星导航系统。

全球定位系统由空间部分。

地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

空间部分由21+3颗(3颗备用卫星)组成，分布在六个轨道面上。

卫星上装有原子钊，发播2个频率的载波无线电信号。

载波无线电洁号中调制有P码和C/A码以及D 码(导航电文)。

P码和C/A码是供伪距测量的测距码，而D码用于发送导航电文，提供卫星位置，卫星钟差等信息。

地面监控部分包括一个主控站、3个注入站和5个监控站。

监控站的主要任务是监控卫星取得观测资料，算出每颗卫星的巧分钟平滑数据，传送给主控站。

主控站根据各监控站的观测资料，计算每颗卫星的轨道和卫星钟改正数，外推一天以上的卫星星历和钟差，并转化为导航电文发送给注入站。

注入站在每颗卫星运动到上空时，把卫星星历控制参数等指令注入到卫星存储器。

用户接收机由天线控制显示器、电缆、电源等部分组成，主要功能是接收卫星发射的信号和导航电文，并进行码测量或者相位测量，然后根据导航电文提供的卫星位置和钟差改正信息计算接收机的位置。

GPS优点是可在全球范围内全天候提供高粘度的三维位置、三维速度和时间基准信息，具有静态定位、动态导航及精密授时功能；缺点是动态环境中可靠性差，定位是非自主式的，应用受到美国政府的GPS政策和外界环境等多方面的限制。

(5)地标地形匹配导航
地标导航是利用地面上存在的地物、地标(岛屿、航标、特殊建筑物等)，这些地物、地标在地图或海图上己标明准确位置，在航行体上用光学等方法，测量到这些地物、地标的距离和方位等几何参量，用测向或测距法算出运载体瞬时
地理位置。

地形匹配导航是随计算机技术、高分辨率、高清晰度显示技术和图形图像处理技术等高新技术发展起来的。

使用前将航行体将经过区域及附近的数字地图存入航行体计算机中，航行体航行过程中通过体上设备采集航行体周围地理信息并
与体上计算机存储的信息相比较，从而取得航行体位置等信息。

地形匹配导航的优点是精度高，无累积误差；缺点是处理和存储信息量大。

(6)多普勒导航
多普勒导航系统是利用多普勒效应，通过测取多普勒频移获得运载体的运动速度。

同时利用罗经或磁通门等测航向仪器得到的航向和利用倾斜仪等得到的航行体姿态等，就可以通过递推计算定位了。

多普勒速度计程系统的优点是:能进行完全自主的导航，不需要外部设备的支持；反应速度快，使用方便；由于发射波束很窄，且以很陡的角度发射到海底，所以隐蔽性和抗干扰性好；测得的平均速度精度很高。

同时，多普勒速度计程系统也存在着不足，它需要外部的航向和垂直基准信息，定位误差随时间积累。

综上所述，现代的导航方法有很多，但每一种导航方法都有各自的优势与不足。

随着科学技术的发展，导航技术正朝着多功能化、综合化、自动化和智能化的方向发展。

1.2水下航行器的发展与趋势
海洋作为人类的蓝色国土，关系到人类的生存和发展,这是人类面临的现实的问题。

联合国发表的21世纪议程中指出：“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵则一富”。

水下航行器经历了从诞生到发展到开始走向应用的历程。

伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下航行器的研究和发展将日趋活跃。

21世纪将是水下航行器广泛应用的世纪。

水下航行器的种类很多。

其中，主要有载人水下航行器、有缆水下航行器(ROV)和自主式水下航行器(AUV)三种。

自主式水下航行器(UA V)与载人水下航行器相比具有安全(无人)、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点，与有缆水下航行器(RVO)相比它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂的结构中、不需要庞大的水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点，因而，自主式水下航行器(AUV)的研究尤其得到各国研究者广泛的关注。

70年代中期由于微电子技术、计算机技术、人工智能技术和导航技术的飞速发展，再加上海洋工程和军事活动的需要，AUV的研究得到迅猛发展。

国外的AUV基本上是沿着军!民两大渠道发展起来的，二者各自独立发展，
又在技术上互相支持促进。

其中，美国、英国、德国、法国、加拿大、俄罗斯等国都有较多的机构和人力投入到AUV的研究和开发。

美国海军将AUV作为制海和夺取水下优势的海上力量倍增器而列入重点研制计划，将其视为一种未来的新概念武器。

1994年在国会的指导下，美海军制定了一份AUV发展计划，在该发展计划中提出了关于AUV的5个关键技术：运载技术、能源与推荐技术、传感器技术、导航与控制技术综合通信技术，并且提出了采用模块化、标准化技术，实现结构和功能重构，是AUV发展形成系列化，以完成多种任务和使命。

根据该发展计划，美国海军在AUV领域种地进行了近期水雷侦查系统(NMRS)和远期水雷侦查系统(LMRS)的研制，前者己经开始服役，后者正在大力研制之中。

同期，世界各主要大国均在AUV的研制方面投入了力量，并取得了一定成果。

我国从70年代开始开展潜水器的研制工作，先后研制成功了载人水下航行器及有缆水下航行器(RVO)，进入90年代我国的AUV的研制取得了重大突破。

1994年“探索者号”自主水下航行器在西沙群岛近海成功地下潜到1000米，成为我国到达深海的先驱。

1995年,借助俄罗斯的有关技术力量，设计深度6000米的“RC-OIA”在夏威夫附近海域下潜到5300米，拍摄到海底锰结核矿分布情况，收集了大量珍贵资料。

1997年“CR-010”又一次在太平洋完成了深海调查任务，获得了大量的资料和数据"这两次深海试验的成功标志着我国研韦8的第一代6000米水下航行器制造技术业己成熟,从而使我国的水下航行器制造技术已经达到世界先进水平。

同时，我国也开始了基于仿生学原理的水下机器人的研究。

目前，世界上有40艘以上的自主式水下航行器从事海洋勘测、搜救及军事上的应用工作，主要呈现以下几种状况及趋势。

(1)向远程发展
远程是指航程在500海里以上的AUV，美国、法国、俄罗斯等国相继推出了远程UA V的计划，阻碍向远程发展的技术壁垒如能源、远程导航和实时通讯都获得了重大的突破。

在能源方面，太阳能、压力能和海水温差的利用都取得了进展。

(2)向功能更强大的方向发展
目前的UA V绝大多数只能从事观察和测量，不具备作业能力。

美国、法国、意大利的一些大学及研究机构正在从事这方面的工作。

意大利的水下监控机械手
已达到实用水平。

另一方面加强水下航行器的智能，不完全依赖机器智能(引入、人的智能)，更多的依赖传感器和人的智能，是今后发展的方向。

(3)发展军用AUV
用于战区侦察、探测及扫除水雷、潜艇对抗、海上预警、封锁航线或港口、攻击敌舰船或潜艇、水下中继通讯等作战任务。

随着科学技术的进步，尤其是计算机技术的提高，水下导航技术正向着多功能化、综合化、自动化和智能化的方向发展。

1.3惯性组合导航在水下航行器中应用的背景及意义
导航问题是航天、航空及航海技术中非常重要的的内容之一。

对于水下航行器，由于条件限制，导航问题尤其突出。

在传统的水下航行器导航系统中，通常用航向陀螺测量航行器的航向角；用垂直陀螺或摆式加速度计测量航行器的俯仰角和横滚角；用深度传感器测量航行器的航行深度。

除了深度传感器能提供准确的深度信息外，航向陀螺、垂直陀螺和摆式加速度计给出的姿态信息都存在较大的误差，因为航行器上装配的传感器测量的参数是相对惯性系的，而地球并非惯性空间，存在着绕其轴线的自转运动，量的姿态角存在着耦合，只有在航行器匀速直线运动时测量的姿态角才不存在测合误差(通常这种误差被称为支架误差)。

更重要的是，传统的导航系统很难直
接测量出速度和位置分量。

因此传统的导航系统很难满足航行器精确定位和控制的要求。

改进水下航行器的导航系统迫在眉睫。

惯性导航技术是近四、五十年来发展起来的一种自主式导抗技术。

这种技术利用惯性器件测量航行器相对惯性空间的线运动和角运动参数，然后由计算机推算出航行器的姿态、速度和位置信息。

由于惯性导航设备中的惯性器件(陀螺和加速度计)精度的限制，惯性导航系统能提供的导航参数存在较大的误差。

当然利用高精度的惯性元件能得到较高精度的导航参数，但这需要花费昂贵的经济代价。

从经济效益的角度出发，利用低精度的惯导系统和其它导航设备组合同样可以达到这一目的。

组合导航系统可以通过校正环节组合和卡尔曼滤波器组合。

校正环节设计是使用传递函数，通过古典的方法进行误差校正；卡尔曼滤波器设计则是通过导航系统的导航误差方程，由惯性器件的误差估计出导航参数的误差。

两者各有各的
优点，校正环节可以单独就导航系统的某一环节校正，如惯性导航中的垂直通道校正就是采用这种方法；卡尔曼滤波器则综合估计出导航系统的各个导航参数误差，便于直接对导航参数进行校正。

惯性组合导航常采用卡尔曼滤波器组合，组合后的导航系统能给出较精确的导航参数。

惯性组合导航在水下航行器中应用可以提供航行器准确的位置、速度和姿态信息，它的优势是水下航行器传统的导航系统无法比拟的。

惯性组合导航系统对前面讨论到的那些误差进行了校正和补偿，并且能给出航行器准确的位置信息，便于航行器的精确定位；对控制器而言，惯性组合导航是一个全状态观测器，它可以实时给出水下航行器控制系统设计所需要的各个状态变量，这使得航行器导航系统设计方法更加丰富和多样化。

惯导系统存在着误差随时间迅速积累增长的问题，这是惯导系统的主要缺点，从初始对准开始，其导航误差就随时间而增长。

另一方面，对一般惯导系统而言，加温和初始对准所需时间也比较长，这对远距离、高精度的导航和某些特定条件下的快速反应等性能要求，就成了比较突出的问题。

正是由于这些原因，对纯惯导来说，就需要有高质量的惯性元件和温控系统，尤其对陀螺仪有很高要求。

正因如此，靠惯导系统本身来解决这些问题，只能是有限程度的改善，而不能从根本上解决问题，所以需要利用外部信息进行辅助，这就要寻求一种导航系统，它的一误差不随时间累积，可用它来校正惯导系统，减小误差随时间积累的问题。

这就是惯导系统为什么要求和其它导航系统组合的主要原因。

与惯导系统相比，GPS定位的显著优点是其高精度和低成本。

尤其是利用GPS卫星信号的定位精度，在全球范围内可以达到米级，而误差不随时间而积累。

因此，取长补短，充分利用各种导航系统的优势，组合运用，以达到更高效、精准的导航目的。

1.4组合导航系统的构成方法和功能
伴随着现代社会的发展，特别是军事领域对导航的精度和可靠性都提出了很高的要求，单一的导航系统已很难在复杂的环境下满足要求，把几种导航系统的综合起来，应用最优估计理论，形成最优综合导航系统或最优容错综合导航系统，便成为导航技术发展的趋势。

组合导航系统中往往以惯性导航系统为主系统，辅助以其它导航设备或系统。