一種組合式水下導(dǎo)航定位方法研究

【摘要】由于水下復(fù)雜的環(huán)境，單一導(dǎo)航系統(tǒng)有著很大的局限性，對(duì)現(xiàn)代導(dǎo)航與定位技術(shù)的分析，基于技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和成本價(jià)格的考量，采用浮式中繼站的方法，將GPS定位與慣性導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合在一起，優(yōu)化傳統(tǒng)的水下導(dǎo)航方式，構(gòu)建一種新型水下組合導(dǎo)航和定位方案，盡可能使單一的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)充分發(fā)揮本身的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過仿真測(cè)試，達(dá)到水下準(zhǔn)確定位與導(dǎo)航的目的。

【關(guān)鍵詞】水下導(dǎo)航；組合式水下定位；浮式中繼站

1、組合式導(dǎo)航原理

本組合式導(dǎo)航系統(tǒng)采用慣性系統(tǒng)以外的輔助導(dǎo)航信息源（GPS導(dǎo)航技術(shù)）以提高導(dǎo)航的精度。整體采用GPS與捷聯(lián)式導(dǎo)航相結(jié)合的方式，為最大效率發(fā)揮浮式中繼站的優(yōu)點(diǎn)，使導(dǎo)航距離盡量縮小（僅限于水下部分），水面上探測(cè)器和浮式中繼站采用GPS導(dǎo)航，待到探測(cè)器到達(dá)指定工作區(qū)域?qū)⒁獫摰剿聲r(shí)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航啟動(dòng)，同時(shí)探測(cè)器與浮式中繼站的位置也進(jìn)行初始化。通過將捷聯(lián)式慣導(dǎo)輸出的信號(hào)與GPS相同量的獨(dú)立值進(jìn)行比較，利用最優(yōu)控制理論和卡爾曼濾波組合的濾波器處理信號(hào)和高斯白噪聲，可以得出系統(tǒng)誤差的最小值，確定修正量，從而將兩種導(dǎo)航方式有機(jī)地結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)組合式導(dǎo)航。

2、導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)

2.1 水面導(dǎo)航

對(duì)于水面的導(dǎo)航只需要采用現(xiàn)在成熟的GPS導(dǎo)航技術(shù)便可解決，為此本文在浮式中繼站上搭載GPS模塊，然后通過定位獲取準(zhǔn)確的浮式中繼站的位置A（x，y，z）。對(duì)于探測(cè)器的導(dǎo)航，本文采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航，在探測(cè)器上搭載陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器進(jìn)行探測(cè)器的位置和姿態(tài)的解算。

2.2 GPS/INS（捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航）組合導(dǎo)航整合算法

組合導(dǎo)航算法中，水面浮式中繼站的位置信息可以由GPS模塊導(dǎo)出位置信息G（X，Y，Z），對(duì)慣性導(dǎo)航的探測(cè)器來說，需要探測(cè)器的各向的加速度分量，在本文中由于探測(cè)器中安裝有水壓力傳感器，可以在得出水壓力傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過微型計(jì)算機(jī)處理得出探測(cè)器的水下的高度H，所以只對(duì)探測(cè)器加速度的a1（前后）、a2（左右）分量進(jìn)行采集即可算出探測(cè)器的x軸和y軸的距離，進(jìn)而可以得到探測(cè)器的理論位置t：，x軸位移為：

3、系統(tǒng)誤差模型建立

本文對(duì)系統(tǒng)存在的各種誤差進(jìn)行了研究和分析，為了獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航，需要對(duì)這些誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袆?dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償、常值偏差測(cè)定等。對(duì)于GPS誤差，采用更為精確的差分GPS（DGPS）定位，仍有的誤差用標(biāo)記；對(duì)于初始值誤差采用的是常值測(cè)定的方法標(biāo)記為；對(duì)于水下慣性導(dǎo)航出現(xiàn)的誤差，誤差模型已經(jīng)在式2-4中給出，標(biāo)記為；對(duì)于水流影響的探測(cè)器的位置標(biāo)記為T2；則系統(tǒng)的誤差方程為：

4、導(dǎo)航仿真測(cè)試

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)導(dǎo)航算法和誤差分析，對(duì)導(dǎo)航的真實(shí)情況進(jìn)行matlab仿真測(cè)試。

4.2 仿真條件

在本次仿真過程中，本文針對(duì)直接獲取的量進(jìn)行賦值，表達(dá)出相應(yīng)關(guān)系式，本次仿真實(shí)驗(yàn)中，由于加速度是不斷變化的，所以要對(duì)其采樣采樣時(shí)間間隔為1s，對(duì)a1、a2分別取40次值，并存放在a1的集合中，

a1={0， 0.05，0.18，0.35，0.5，0.45，0.13，0.06，0…-0.07，-0.15，-0.16，-0.22，-0.13，-0.04，0， }，

a2={0.0，0.02，0.1，0.13，0.25，0.17，0.05，0.02，0…-0.08，-0.15，-0.22，-0.07，-0.02，0}；

對(duì)于a1的取值，本次仿真實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的航行標(biāo)準(zhǔn)，探測(cè)器先做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到一定值后，做勻速運(yùn)動(dòng)，最后階段在達(dá)到指定位置前做減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為0。最后在實(shí)際中a1和a2的值由傳感器具體給出。GPS定位的初始坐標(biāo)為本文實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的坐標(biāo)G（30036’16’’N，114021’10’’E），誤差精度為0.3-3m。

在有水流漂移的影響中，本次仿真是的數(shù)據(jù)存取是在一定水深條件下進(jìn)行的，實(shí)際中探測(cè)器和浮式中繼站的距離由超聲波測(cè)距系統(tǒng)給出，所以兩者取值得出疊加變量S，S在式（2-22）中求得，賦值是為s=[0，0，0.22，0.5，0.8，1.2，2.7，4.8，6.6：2：43.1，43.4，45.4，46.6，47.6，48.2，49.3，50.5，51.8，52.1，53.3，54.4，55.4，56，57.8]；

4.3 仿真測(cè)試結(jié)果

先不考慮GPS定位精度和水流漂移的影響，利用仿真條件探測(cè)器進(jìn)行定位導(dǎo)航仿真的結(jié)果比較平穩(wěn)上升為藍(lán)色軌跡

同理，根據(jù)4.2水流中的仿真條件可以得出水流飄移對(duì)探測(cè)器的位置影響，仿真結(jié)果有所波動(dòng)如紅色軌跡所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，GPS定位和浮式中繼站的漂移，都會(huì)對(duì)探測(cè)器的定位產(chǎn)生影響，所以對(duì)浮式中繼站的定位影響需要考慮?？梢缘贸龅氖荊PS定位精度直接影響到水下探測(cè)器的定位精度，兩者在類型上是相等的，但是探測(cè)器還受到其他因素的影響，所以理論上精度會(huì)比GPS的定位精度要小。

參考文獻(xiàn)：

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