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基于法向量的SINS/DVL全球组合导航算法研究

摘要

极地地区在资源、航道和军事等方面战略地位的日益凸显引起了世界各国的共同关

注。高精度的捷联式惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem,SINS)和多普勒

计程仪(DopplerVelocityLog,DVL)组合导航系统则成为自主式水下航行器(Autonomous

UnderwaterVehicle,AUV)在极区安全作业的重要保障。然而，现有SINS机械编排在极

区存在无法跟踪地理北向、无法实现单一机械编排的全球导航等问题。此外，复杂的水

下环境加剧了传感器的不稳定性，使其量测易出现非高斯噪声和野值，给AUV长航时、

高精度定位带来极大挑战。因此，本文围绕高精度、强鲁棒性的SINS/DVL全球组合导

航这一目标，研究了SINS机械编排、逆向导航算法、虚拟极区技术和鲁棒滤波算法。

论文的主要工作如下：

1.针对无奇异的统一全球导航问题，研究了基于法向量的SINS机械编排。首先，分

析了固定指北机械编排在极区无法定位定向的原因。其次，利用虚拟圆球的法向量和高

度来表示运载体的位置，并基于此推导了SINS机械编排的更新算法和误差微分方程。

最后，通过仿真试验对本文所提机械编排的有效性与固定指北机械编排进行对比。

2.针对导航系统定位误差不断累积的问题，提出了基于正-逆向的组合导航位置校正

算法。首先，建立了以SINS为核心，DVL等传感器为辅的组合导航系统状态空间模型。

其次，在AUV获取自身精确定位信息后，利用SINS数学平台的计算优势，通过逆向导

航算法对历史的陀螺仪和加速度计输出等数据进行回溯和重复分析利用。然后，根据估

计误差协方差对正向导航和逆向导航的位置信息进行加权融合，实现了对水下累积定位

误差的校正。最后，通过蒙特卡罗数值仿真验证了位置校正算法的优越性。

3.针对纯数学仿真在模拟运载体的真实机动状态、惯性测量单元的真实各项误差特

性等方面的局限性，提出了基于地心地固坐标系下姿态、速度和高度不变法的虚拟极区

技术。首先，选择运载体轨迹上的一点，利用坐标系旋转法使其成为新的极点，重构了

参考导航数据和初始状态。其次，通过分析姿态、速度误差微分方程在地球坐标系旋转

前后的内在联系，重构了陀螺仪和加速度计数据。最后，利用虚拟极区技术对真实湖面

试验数据进行转换，进一步验证了SINS/DVL全球组合导航和位置校正算法的有效性。

4.针对诸如多峰分布的复杂非高斯噪声和量测野值造成的组合导航系统精度下降问

题，提出了含有基准点的最小误差熵鲁棒卡尔曼滤波算法。首先，根据状态一步预测和

量测向量构建增广模型，得到误差向量。其次，在传统的最小误差熵准则中引入基准点

哈尔滨工程大学硕士学位论文

以解决滤波可能发散的问题并构建了代价函数。然后，采取不动点迭代法对代价函数进

行求解以获得状态变量的最优估计。最后，设置多组不同的非高斯噪声和量测野值，通

过蒙特卡罗数值仿真和湖面试验验证了所提鲁棒卡尔曼滤波算法在提高组合导航系统

鲁棒性和精度方面的优势。

关键词：惯性导航机械编排；法向量；逆向导航；虚拟极区；最小误差熵

基于法向量的SINS/DVL全球组合导航算法研究

Abstract

Theincreasingprominenceofthestrategicpositionofthepolarregionsintermsofresources,

shippinglanes,andmilitaryhasattractedthecommonattentionofcountriesallovertheworld.

Thehigh-precisionstrap-downinertialnavigationsystem(SINS)anddopplervelocitylog

(DVL)integratednavigationsystemhasbecomeanimportantguaranteeforthesafeoperation