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基于光纤惯导/多普勒计程仪的AUV组合导航关键技术研究

摘要

水下自主导航技术是提升无人潜航器作业性能的关键技术和重要保障，随着水下任

务对无人潜航器作业时长和作业精度需求的提高，小型化光纤捷联惯性导航(Strapdown

InertialNavigationSystem,SINS)和多普勒测速仪(DopplerVelocityLog,DVL)组合导航系

统在水下无人潜航器导航应用中得到越来越多的关注。然而，小型化传感器在测量精度

和稳定性等方面仍然存在一定的缺陷，同时，水下复杂的地形、地貌、水文环境等都容

易引起传感器测量的偏差、野值和故障等问题，这造成无人潜航器长时间水下导航保持

高精度和可靠性成为技术难点。本论文围绕光纤SINS/DVL组合导航系统在无人潜航器

中应用潜在的技术问题展开深入讨论，从完善各类模型精度、提高算法鲁棒性等方向展

开研究，研究了SINS/DVL组合导航系统的初始对准技术、误差标定技术和紧组合故障

处理技术。论文的主要工作如下：

1、逆时序数据处理方案设计。结合捷联惯性导航系统数学平台高计算速率特性的

优势，设计了两种逆向导航的方案。根据SINS逆向导航方案，设计了惯性基组合导航

系统的正-逆向数据处理方法，为保证精对准有更好的收敛性和逆向定位误差消除方案

提供了基础。

2、基于DVL辅助SINS的鲁棒初始对准算法研究。首先，针对海底作业中DVL声

波信息易受到水下动、植物的干扰产生测量速度异常，进而影响组合导航系统水下初始

化精度问题，论文提出了一种基于鲁棒快速优化姿态矩阵(FastOptimalAttitudeMatrix,

FOAM)的惯性系初始对准方法。建立了基于FOAM的惯性系对准方法，分析了构造惯

性系矢量的误差组成，通过对误差趋势项进行剔除，设计了矢量误差分布独立性检验的

鲁棒对准方法。其次，针对AUV高动态下传统速度误差模型的不严谨严重影响精对准

收敛效率的问题，通过重新进行载体系速度误差方程构建和重新推导基于载体系速度误

差的系统误差方程，建立了一种新的基于状态变换的精对准方法。最后，通过蒙特卡洛

数值仿真和湖面实验验证了所提方法的鲁棒性和可实施性。

3、基于四元数描述安装偏差角的SINS/DVL组合系统误差标定方法研究。在空间

狭小的无人潜航器中传感器布置难以避免存在任意性，传统的误差标定模型存在舍入处

理，不能以足够的精度描述系统误差，或计算容易陷入奇异点中不能获得稳定的标定结

果。为解决随机的系统误差标定精度低的问题，本论文提出了一种基于四元数描述安装

误差的组合系统误差标定方法。首先，根据坐标投影放缩等特性分离安装偏差角和刻度

哈尔滨工程大学博士学位论文

系数误差，并分别建立了基于四元数模型的状态空间方程和观测方程。其次，分析了安

装误差角的可观测性和标定精度影响因素。最后，通过湖面实验验证了所提出基于四元

数描述安装误差角的标定方法的有效性和优势。

4、四波束DVL辅助SINS组合系统故障处理方法研究。无人潜航器长时间在复杂

海域工作不可避免的会出现DVL测量偏置、野值和故障等问题，传统松组合导航对故

障处理方面不具备优势，本论文利用SINS/DVL紧组合系统有更高的信息利用率特点，

研究了基于SINS/DVL紧组合导航的故障处理方案。首先，设计了基于状态变换的

SINS/DVL紧组合导航系统和基于四元数的SINS/多波束DVL系统误差校正方法。其

次，针对不同的DVL波束故障设计了基于SINS速度信息辅助的观测信息重构方案和

基于逆向组合导航的定位误差消除方案。然后，针对DVL测量野值影响长时间导航精

度问题，设计了基于改进Huber的鲁棒滤波算法。最后，通过湖面实验数据半实物仿真

验证了所提出算法对于提高组合系统鲁棒性和长时间导航精度是有效的。

关键词：无人潜航器；自主导航；捷联惯性导航系统；初始对准；系统误差标定

基于光纤惯导/多普勒计程仪的AUV组合导航关键技术研究

Abstract

Underwaterautonomousnavigationte