AUV組合導航系統(tǒng)的DVL標定方法研究?

白 龍 張淏酥 吳 爽 邢安安

（1.中國船舶集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）（2.中山大學海洋工程與技術學院 廣州 510275）（3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海） 珠海 519000）

1 引言

海洋蘊含了豐富的石油、礦產(chǎn)等資源，是各國維護自身權(quán)益的戰(zhàn)略必爭之地。自“聯(lián)合國海洋法公約”生效以來，海洋國土的概念顯得越來越重要。管轄海區(qū)的國土化，大大強化了海洋對國家命運的重大影響。然而，海洋的開發(fā)離不開各類海洋平臺或裝備。

水下自主航行器（AUV）、遠程遙控水下航行器（ROV）、潛標、水下滑翔機、水中兵器等各類水下平臺有的是自航式的，有的是系泊型的水下載荷，它們都具有自動化、智能化、無人化、長壽命、高可靠性的特點，可根據(jù)使命任務進行模塊化組合，實現(xiàn)多種功能的集成，在軍事和民用方面均有廣泛的需求。無論什么樣的平臺，都離不開GNSS（衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)）、航跡推算、純慣性導航、地形匹配導航、重力場匹配導航、SINS（捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)）/DVL（多普勒計程儀）組合導航等各種水面和水下導航定位技術［1～4］。很多作業(yè)任務對導航定位的精度有著較高的要求。目前AUV水下導航主要使用由慣性導航設備、多普勒計程儀和衛(wèi)星定位裝置組成的組合導航系統(tǒng)［5～7］。航行器在水下時進行SINS/DVL組合導航，浮到水面時利用GNSS進行校準。SINS和DVL每當首次（或拆裝后）組裝時，都要進行安裝誤差的標定［8～10］。標定參數(shù)可以選擇標度因子+航向安裝偏差角或標度因子+三個安裝偏差角（航向、橫滾和俯仰）。然而，目前大多數(shù)標定研究中，都沒有考慮GNSS定位信息的波動、SINS的初始對準的失準角誤差以及標定航行中的橫向洋流等對標定結(jié)果的影響。

2 AUV組合導航系統(tǒng)

本文中所用的AUV組合導航系統(tǒng)如圖1所示。整個系統(tǒng)中的核心是SINS，SINS完成初始對準后，轉(zhuǎn)入導航狀態(tài)，為AUV的綜控、探測系統(tǒng)等提供連續(xù)實時的載體位置、速度、姿態(tài)角等信息。在無任何外界信息時可以在水面或水下進行純慣性導航，但該模式下誤差增加較快。在水下大多使用SINS/DVL組合導航，此時定位誤差隨航程的增加而增長。長時間水下作業(yè)后，AUV通過浮出水面或拋出GNSS浮球來接收GNSS信息進行位置校準，來消除所累積的位置誤差。同時，可以將GNSS信息作為觀測量給入卡爾曼濾波器，來估計和消除所累積的速度和姿態(tài)角誤差。校準完成后AUV再次入水，以SINS/DVL組合導航狀態(tài)［3］繼續(xù)開展水下作業(yè)。

圖1 AUV組合導航系統(tǒng)

4）當無外部量測信息時，進行純慣性導航解算，Klman濾波器僅進行時間更新。

AUV組合導航系統(tǒng)的Klman濾波過程如圖2所示［11］。

圖2 Kalman濾波流程圖

3 幾種常見的標定誤差分析

下面就幾種常見誤差及標定方法進行分析。

3.1 SINS與DVL間的誤差標定

標定過程中航跡示意圖如圖3所示，A點到B點的直線航跡表示真實航跡（可將高精度GNSS位置信息給出的航跡作為真實航路），A點到C點的直線航跡表示SINS/DVL組合導航解算出的航跡。需要說明的是，SINS與DVL首次安裝后，因俯仰和橫滾的安裝誤差角對組合導航系統(tǒng)的定位精度影響較小，工程中一般僅對航向安裝誤差角ε和DVL刻度系數(shù)k進行標定。假設起點的GNSS位置為A(LA，λA），終點的GNSS位置 為 B（LB，λB），終點的DVL航位推算位置為C（LC，λC）。則ε和k可由以下兩種方法計算得到。

圖3 標定過程的航跡示意圖

其中，ε、k分別為航向安裝誤差角和DVL的刻度系數(shù)，Re為地球半徑。λA、LA分別為A點的經(jīng)度、緯度，λB、LB分別為B點的經(jīng)度、緯度，λC、LC分別為C點的經(jīng)度、緯度，dN_dvl、dE_dvl分別為DVL推算的起點A與終點C之間的北向距離和東向距離。dN_GNSS、dE_GNSS分別為GNSS航跡的起點A與終點B之間的北向距離和東向距離。

2）曲線標定航路法

李萬里［12］提出地標輔助下基于曲線航路的SINS/DVL安裝誤差標定方法。本文在AUV標定航路為直線這一特殊情形下，對其標定計算公式進行簡化后：

式（3）和式（4）中各個變量含義與式（1）和式（2）中的相同。當ε和k都是小量時，以上兩種方法得到的結(jié)果近似相等。本文選擇了式（3）和式（4）進行計算。

3.2 GNSS測量值波動引起的誤差

目前，AUV所攜帶的BD（或GNSS），定位精度尚處于十米級（或米級）。同時，能夠開展標定的直線航程有限。在標定起始點和終點處，GNSS的跳動會對標定結(jié)果引入較大的誤差。例如，以標定航程5km、GNSS定位誤差5m來計算，則因GNSS測量的定位信息跳動引起的組合導航精度損失即可高達0.2%D（D為航程）。相對于0.5%D，甚至0.3%D的水下導航精度指標，該誤差已不容忽視。

差分GNSS等高精度定位測量手段可以達到分米級定位精度，將極大降低GNSS抖動造成的影響。但尚未在AUV標定中普遍應用。本文將從標定方法層面，引入新的定位信息處理方法來抑制GNSS信息波動對標定結(jié)果造成的不利影響。

標定時選擇某個交寬廣的水域，設定AUV航線為A點到B點，全程設定為定速直航。首先在標定起點處，連續(xù)記錄多幀GNSS點Ai（i=1，2，…）。當AUV航行至標定終點后，繼續(xù)保持定速直航，同時連續(xù)記錄多幀同時刻下的GNSS點Bi（i=1，2，…）和DVL航位推算點Ci（i=1，2，…）。之后，分別使用每一組（Ai、Bi、Ci）（i=1，2，…）根據(jù)上述兩點法計算得到對應的εi和ki，剔除最大最小值后求平均，進而分別得到方位安裝誤差角ε和刻度系數(shù)k的標定結(jié)果。

3.3 慣導對準方位失準角的影響

慣導每次上電啟動，都需要一定時間進行對準。每次斷電重啟，對準的方位失準角都會變化，在一定范圍內(nèi)具有隨機性，這很大程度上取決于器件的精度。而DVL標定出的安裝誤差角ε則是以當前慣導的方位角為基準，包含了此次對準產(chǎn)生的方位失準角。當慣導斷電重啟后，當前航次對準的方位失準角與標定航次對準的方位失準角間的差值，記為?φrad，則AUV水下組合導航的定位精度的損失為?φ·D（D為航程）。例如，對準方位失準角為0.1°，則對AUV水下組合導航造成約0.17%·D的精度損失。

在AUV所配套的陀螺和加表的器件精度給定的前提下，為降低標定航次的對準方位失準角對DVL標定結(jié)果的影響，可以使用3.1節(jié)所述標定方法進行多次標定試驗，獲得多個標定航次的DVL安裝方位誤差角εi（i=1，2，…），剔除最大最小值后求平均，從而得到較準確的ε。

3.4 標定航次中側(cè)向流的影響

當AUV標定航行過程中，若所處水域存在側(cè)向流，則AUV自動駕駛系統(tǒng)會不斷調(diào)整AUV艏向，直至AUV產(chǎn)生足以抵消側(cè)向流影響的側(cè)滑角β，以保證AUV沿著既定航線前進，如圖4所示。此時，DVL航位推算所使用的AUV艏向基準（由于慣導安裝時與載體系的安裝偏差角一般可以忽略不記，可以認為AUV艏向與SINS前向一致），與GNSS實際航跡存在夾角β。當DVL安裝誤差角ε一定時，DVL航位推算的航跡將由理想航跡AC，相應偏轉(zhuǎn)β形成新的航跡AC1。因而，通過單航次標定實驗，標定出的DVL安裝誤差角中，勢必包含有因側(cè)向流引起的AUV的側(cè)滑角。這里，可通過沿同一航線往返標定的方式（即開展AB和BA兩個航次），往返兩段航次中，β對ε的影響正好是一正一負。通過往返航次對ε求和平均，來抵消掉DVL方位安裝角ε中所含的側(cè)向流影響。

圖4 側(cè)向流引起的DVL方位安裝角誤差

3.5 慣導的安裝偏差

AUV組合導航系統(tǒng)受DVL與SINS間的安裝誤差角的影響，AUV載體與SINS間的安裝誤差不會對AUV水下組合導航精度造成影響。有學者提出［10］，SINS安裝誤差前可以先利用光學方法在安裝時保證航向偏差角為一個非常小的量，這樣很利于標定。但是，本文認為對于該安裝偏差，是可以在標定試驗中一并計算獲得的，安裝時可以省去光學測量方法那一個步驟，只要保證初始航向偏差角小于5°，都可以保證標定的效果和精度。

對于慣導在AUV載體上的安裝偏差，可以選擇風平浪靜的開闊水域，開展水面往返標定試驗。慣導使用GNSS/SINS組合導航模式輸出GNSS觀測下的方位角信息。同時開展DVL航位推算用于DVL參數(shù)標定。AUV在航線AB和BA上定速直航，分段實時統(tǒng)計慣導的航向角信息（Σψ和個數(shù)n）和速度方位角信息（記速度矢量在地理坐標系下的方位角為ψ'，即 Σψ'和個數(shù)n），則SINS在AUV上的方位安裝偏差角εINS可由下式獲得：

式中，εINS為SINS在AUV上的方位安裝偏角，ψAB、ψ'AB分別為AUV在航線AB上定速直航過程中慣導艏向角和速度矢量在地理坐標系下的方位角，nAB為航線AB上ψAB、ψ'AB的累加個數(shù)。ψBA、ψ'BA分別為AUV在航線BA上定速定向航行過程中慣導艏向角和速度矢量在地理坐標系下的方位角，nBA為航線BA上ψBA、ψ'BA的累加個數(shù)。

4 試驗驗證

4.1 試驗方法設計

如圖5所示，標定時預設航線為航行起點→A→B→C→D→E→F（結(jié)束點），整個標定過程中AUV在每個直線航段內(nèi)均為定速直航。圖中A→B、C→D、E→F三段表示水下航路，因水下航行可以避免水面風浪的影響，保證DVL的測速精度及穩(wěn)定性，從而可以獲得更好的標定精度。圖中A點、B點、C點、D點、E點和F點都表示水面的GNSS校準點，實際航行中，如果B點（D點）和C點（E點）距離較近可以認為是重合的兩個點，標定一次即可。第三段是驗證段，用于驗證前兩段航程標定結(jié)果的好壞。跑完三段直線后，如果驗證段合格則標定成功［13］；否則標定失敗，則需要分析問題查找原因，解決問題后重新開始標定流程，直至標定驗證段達標。

圖5 實航標定流程圖

為了有效評價AUV水下組合導航精度，本文以AUV潛航5km以遠的所有采樣點的終點誤差里程比的CEP50指標來進行量化，以下均簡稱CEP50指標。

4.2 實航標定

為驗證本文提出的標定方法的有效性，于湖北荊門的某大型水庫，開展了DVL標定和水下組合導航精度驗證的跑船試驗。所使用的器件（或設備）精度為：0.01°/h的光纖陀螺，10μg的石英加表，0.5%·D的DVL和3m定位精度的GNSS。為了同時驗證本文提出的標定方法對于較大的安裝偏角仍然有效，將DVL前軸與船體艏向以約26°的夾角進行安裝固定。標定結(jié)果如圖6所示。

實航標定的結(jié)果見表1。

表1 跑船標定結(jié)果

4.3 SINS/DVL組合導航精度驗證

經(jīng)過上述方法完成DVL安裝誤差的標定后，為驗證本文提出的標定方法的有效性，分別進行了兩組SINS/DVL組合導航精度的跑船驗證：1）漂浮條件下慣導重新上電對準，對準完成后連續(xù)開展三段5km的SINS/DVL組合導航精度驗證；2）分別以GNSS+DVL對準、僅GNSS對準、僅DVL對準等三種不同對準方式，開展單段5km的SINS/DVL組合導航精度驗證。

每個驗證航次中，慣導上電經(jīng)過15min初始對準后，全程處于SINS/DVL組合導航模式，僅在到達驗證直線段的起點和終點時分別進行一次GNSS校準，GNSS校準須在1min內(nèi)完成。

第一組（連續(xù)三段5km）試驗結(jié)果如圖7所示。

第一組（連續(xù)三段5km）試驗結(jié)果見表2。

第二組（單段5km）試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 實航驗證結(jié)果2

第二組（單段5km）試驗結(jié)果見表3。

表3 實航驗證結(jié)果2

從兩組驗證結(jié)果可以看出：1）試驗結(jié)果比較理想，定位誤差優(yōu)于0.3%·D（D為航程），達到了預定目標；2）從第二組的3次慣導重啟驗證航次的航跡圖可以發(fā)現(xiàn)，SINS/DVL組合導航的航跡分別落于GNSS航跡的左側(cè)和右側(cè)，且主要誤差來源于航跡的橫向。這一現(xiàn)象表明，本文所研究的標定方法能夠準確標定出DVL安裝偏角和刻度系數(shù)，重啟對準所引入的方位失準角，已成為水下組合導航誤差的主要來源。

5 結(jié)語

本文首先介紹了AUV組合導航系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，對于影響AUV水下組合導航精度的若干誤差進行了比較全面的分析，同時提出了DVL的安裝誤差和刻度系數(shù)的標定方法，以及對于如何消除或降低因GNSS跳動、側(cè)向流影響、慣導對準失準角等對標定參數(shù)造成的影響，以及給出了具體標定試驗方法。最后，通過搭建AUV組合導航系統(tǒng)對本文提出的標定方法進行了跑船驗證。試驗結(jié)果表明：該方法操作便捷、工程實用性強、標定效果明顯。經(jīng)標定后，組合導航系統(tǒng)可以獲得較理想的水下組合導航精度。