一种基于多传感器数据融合的AUV导航定位方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多传感器数据融合的AUV导航定位方法及系统。该方法中，采用不依赖外部信息、不受环境影响的惯性导航系统作为主惯导系统，GPS/USBL作为辅助定位系统，DVL作为辅助测速系统，旨在应用多种较低精度传感器设计一种高精度组合导航系统。步骤一：建立惯性导航运动学模型；步骤二：定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数；所述AUV是指无人水下潜航器；步骤三：确定组合导航系统模型的基本形式；步骤四：进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航。该组合导航方式应用在AUV的水面、水下运动测试中，均取得较好的定位效果，定位误差在10m左右，是系统具有更高的稳定性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器数据融合的AUV导航定位方法及系统
本专利技术专利技术涉及一种基于多传感器数据融合的AUV导航定位方法及系统，属于水下组合导航

技术介绍
水下导航问题仍然是水下移动平台所面临的主要技术挑战之一，由于水下环境的复杂性和特殊性，AUV(无人水下潜航器)水下定位极其困难。学者们关注的重点在于如何克服水下环境对水下定位的影响，提高水下定位的精度，也是近年来的研究热点。水下环境对于AUV定位的影响主要表现为以下几个方面:(1)干扰多，影响大。在海洋中，不仅存在海面风、潮汐、海流、海面锋、温度跃层、密度跃层等干扰，还存在温度、盐度、密度、压强等对水下定位仪器的影响。(2)能见度低。由于光在海水中衰减和散射比在大气中强烈得多，海水中的水平视程仅为大气中的千分之一。通常情况下海中能见度为20m，具体数值会受到水质及水色的影响。(3)电磁波在水中无法传播，声信号传播效率低，可靠率低。这使得陆地上一些精准的定位设备(如GPS)的应用受到了很大的限制。(4)成本高、体积大、重量大的设备不便于AUV携带。由于AUV自身体积和重量的限制，对水下定位设备的体积和重量会形成一定的制约。同时，高精度的水下定位设备一般价格比较昂贵，在一些非军用的航行器上的应用也受到了限制。(5)隐蔽性问题。对于军事用途的AUV而言，隐蔽性是执行任务的先决条件，有些声学或视觉的水下定位方法，会将自身暴露。实际应用中，需根据AUV的实际作业需求，结合上述水下环境的特点选择合适的水下定位方法。不仅要考虑AUV工作的深度范围，也要考虑AUV执行任务的航程时间。不同的水下定位方法有不同的适用范围，多种水下定位方法组合可以提高定位精度。目前，学者们正努力寻求适合水下环境的导航定位方法。常用的水下导航方法分为以下几类，如图1所示。但由于单一导航方式总是存在缺陷，在精度、可靠性上还无法满足水下长时间、长航程的高精度导航需求，部分导航手段只能作为辅助，通过组合导航手段对不同导航方式进行优势互补，可以获得更高的导航性能。
技术实现思路
本专利技术专利技术的目的是：为了解决水下单一导航缺陷的问题，选取最佳统计理论为方法，采用信息融合技术构建组合导航系统，根据各个单一导航方法进行取长补短，并且可以在不影响整体导航精度的前提下降低某单一导航系统的精度要求，降低导航程度和技术难点，具有高性价比和高精度的特点。本专利技术采用如下技术方案实现：一种基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，包括以下几个步骤：步骤一：建立惯性导航运动学模型；步骤二：定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数；所述AUV是指无人水下潜航器；步骤三：确定组合导航系统模型的基本形式；步骤四：进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航。进一步的，惯性导航运动学模型具体为：惯性导航姿态更新为：其中，Δθ＝[ΔθxΔθyΔθz]T表示载体坐标系下陀螺仪输出的三轴角度变化信息；ε＝[εxεyεz]T表示载体坐标系下陀螺三轴常值漂移信息；[q0q1q2q3]T表示四元数信息，姿态更新时采用旋转矢量法更新四元数；Δq＝[Δq0Δq1Δq2Δq3]T为四元数变化量；惯性导航速度更新为：其中，V＝[VNVEVD]T表示n系下三维速度信息，为捷联矩阵，ΔV＝[ΔVxΔVyΔVz]T表示b系下加速度计输出的三轴速度变化信息，g表示当地重力加速度，Δt表示采样时间间隔；ΔA＝[ΔAxΔAyΔAz]T表示b系下加速度计的常值零偏信息；惯性导航位置更新为：其中：P＝[PNPEPD]T表示n系下三维位置信息。进一步的，所述n系即为导航坐标系：定为N-E-D的地理坐标系，原点位于载体当前所在位置，xn,yn在地理水平面内，xn轴沿当地经线的切线向北，yn轴沿当地纬线的切线向东，zn轴垂直向下构成右手坐标系；所述b系是指载体坐标系，载体坐标系即AUV本体坐标系，原点位于载体质心处，xb沿载体轴向向前，yb沿载体向右，zb垂直于载体平面，三轴满足右手法则，随着载体的转动而转动。进一步的，定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数，具体为：(PN,PE,PD)：表示在导航坐标系下，AUV在三个坐标轴下的位置分量；(VN,VE,VD)：表示在导航坐标系下，AUV在三个坐标轴下的速度分量；(γ,θ,ψ)：γ为横滚角，选取逆时针方向为正方向，其取值范围是(-180°,180°)；θ为俯仰角，正方向与横滚角相同，取值范围是(-90°,90°)；ψ为偏航角，左偏航为正，取值范围是(-180°,180°)。进一步的，组合导航系统模型的基本形式为其中，X为状态量，Φk-1为状态转移矩阵，Z为量测量，Hk为量测矩阵，wk-1与vk代表过程噪声与量测噪声，服从正态分布wk-1～(0,Qk)，vk～(0,Rk)，Qk是过程噪声方差且非负定；Rk是量测噪声方差且正定。进一步的，进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航，具体为：(1)确定状态方程，具体为：状态量X＝[q0q1q2q3VNVEVDPNPEPDεxεyεzΔAxΔAyΔAz]T；状态转移矩阵Φk-1如下：其中：t21＝2q1(ΔVx-ΔAx),t22＝2q0(ΔVy-ΔAy),t23＝2q1(ΔVz-ΔAz)t24＝2q0(ΔVx-ΔAx)+2q2(ΔVy-ΔAy)+2q3(ΔVz-ΔAz)t25＝2q0(ΔVx-ΔAx),t26＝2q2(ΔVz-ΔAz),t37＝2q3(ΔVy-ΔAy)t27＝2q0(ΔVx-ΔAx)+2q2(ΔVz-ΔAz)+2q3(ΔVy-ΔAy)t28＝2q0q3,t29＝q02,t30＝q12,t31＝q22,t32＝q32,t33＝2q2(ΔVx-ΔAx)t34＝2q3(ΔVx-ΔAx),t35＝2q0(ΔVy-ΔAy),t38＝2q0q1t36＝2q3(ΔVx-ΔAx)+2q1(ΔVz-ΔAz)+2q0(ΔVy-ΔAy)状态噪声wk的方差Qk具体为：其中：Qq＝BBT,Qv＝AAT(2)确定量测方程：USBL/GPS量测矩阵为：DVL量测矩阵为：磁力计量测矩阵为：Hmag＝[-2l8l14(q3l3-q3l4+q3l5+q3l6+2q0q1q2)；-2l8l14(-q2l3+q2l4+q2l5+q2l6+2q0q1q3)；2l8l14(q1l3+q1l4+q1l5-q1l6+2q0q2q2)；2l8l14(q0l3+q0l4-q0l5+q0l6+2q1q2q3)；o1×12]1×16其中：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于，包括以下几个步骤：/n步骤一：建立惯性导航运动学模型；/n步骤二：定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数；所述AUV是指无人水下潜航器；/n步骤三：确定组合导航系统模型的基本形式；/n步骤四：进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：建立惯性导航运动学模型；
步骤二：定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数；所述AUV是指无人水下潜航器；
步骤三：确定组合导航系统模型的基本形式；
步骤四：进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航。


2.根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于：惯性导航运动学模型具体为：
惯性导航姿态更新为：



其中，Δθ＝[ΔθxΔθyΔθz]T表示载体坐标系下陀螺仪输出的三轴角度变化信息；ε＝[εxεyεz]T表示载体坐标系下陀螺三轴常值漂移信息；[q0q1q2q3]T表示四元数信息，姿态更新时采用旋转矢量法更新四元数；Δq＝[Δq0Δq1Δq2Δq3]T为四元数变化量；
惯性导航速度更新为：






其中，V＝[VNVEVD]T表示n系下三维速度信息，为捷联矩阵，ΔV＝[ΔVxΔVyΔVz]T表示b系下加速度计输出的三轴速度变化信息，g表示当地重力加速度，Δt表示采样时间间隔；ΔA＝[ΔAxΔAyΔAz]T表示b系下加速度计的常值零偏信息；
惯性导航位置更新为：



其中：P＝[PNPEPD]T表示n系下三维位置信息。


3.根据权利要求2所述的基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于：所述n系即为导航坐标系：定为N-E-D的地理坐标系，原点位于载体当前所在位置，xn,yn在地理水平面内，xn轴沿当地经线的切线向北，yn轴沿当地纬线的切线向东，zn轴垂直向下构成右手坐标系；
所述b系是指载体坐标系，载体坐标系即AUV本体坐标系，原点位于载体质心处，xb沿载体轴向向前，yb沿载体向右，zb垂直于载体平面，三轴满足右手法则，随着载体的转动而转动。


4.根据权利要求3所述的基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于：定义AUV的3维空间、6个自由度的运动参数，具体为：
(PN,PE,PD)：表示在导航坐标系下，AUV在三个坐标轴下的位置分量；
(VN,VE,VD)：表示在导航坐标系下，AUV在三个坐标轴下的速度分量；
(γ,θ,ψ)：γ为横滚角，选取逆时针方向为正方向，其取值范围是(-180°,180°)；θ为俯仰角，正方向与横滚角相同，取值范围是(-90°,90°)；ψ为偏航角，左偏航为正，取值范围是(-180°,180°)。


5.根据权利要求4所述的基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于：组合导航系统模型的基本形式为



其中，X为状态量，Φk-1为状态转移矩阵，Z为量测量，Hk为量测矩阵，wk-1与vk代表过程噪声与量测噪声，服从正态分布wk-1～(0,Qk)，vk～(0,Rk)，Qk是过程噪声方差且非负定；Rk是量测噪声方差且正定。


6.根据权利要求5所述的基于多传感器数据融合的AUV组合导航方法，其特征在于：进行惯性导航、声学导航和卫星导航相结合的组合导航，具体为：
(1)确定状态方程，具体为：
状态量X＝[q0q1q2q3VNVEVDPNPEPDεxεyεzΔAxΔAyΔAz]T；
状态转移矩阵Φk-1如下：



其中：
















t15＝ΔVx-ΔAx,t16＝ΔVy-ΔAy,t17＝ΔVz-ΔAz



t21＝2q1(ΔVx-ΔAx),t22＝2q0(ΔVy-ΔAy),t23＝2q1(ΔVz-ΔAz)
t24＝2q0(ΔVx-ΔAx)+2q2(ΔVy-ΔAy)+2q3(ΔVz-ΔAz)
t25＝2q0(ΔVx-ΔAx),t26＝2q2(ΔVz-ΔAz),t37＝2q3(ΔVy-ΔAy)
t27＝2q0(ΔVx-ΔAx)+2q2(ΔVz-ΔAz)+2q3(ΔVy-ΔAy)
t28＝2q0q3,t29＝q02,t30＝q12,t31＝q22,t32＝q32,t33＝2q2(ΔVx-ΔAx)
t34＝2q3(ΔVx-ΔAx),t35＝2q0(ΔVy-ΔAy),t38＝2q0q1
t36＝2q3(ΔVx-Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢曼曼，郭眀禹，李宇航，张南南，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11