[發明專利]基于SIR粒子濾波方法的低功耗地形輔助導航系統及方法

在審

• 申請號: 202010088331.0
• 申請日: 2020-02-12
• 公開（公告）號: CN111238483A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 劉雁集;張桂臣;黃志堅;譚曉玲;魯潤;陳孟偉
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/00
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 徐雯瓊;章麗娟

本發明公開了一種基于SIR粒子濾波方法的低功耗地形輔助導航系統及方法，包括導航數據采集板塊和導航數據處理板塊；導航數據采集板塊包括慣性導航傳感器、深度計、高度計、數據總線，慣性導航傳感器、深度計、高度計分別與數據總線相連，數據總線同時與導航數據處理板塊相連，采集的數據通過數據總線傳輸到導航數據處理板塊；導航數據處理板塊包括連接的航位推算模塊與粒子濾波模塊，航位推算模塊輸出的航位推算數據經過濾波模塊的濾波后形成最終的位置輸出。航位推算模塊與粒子濾波模塊分別與數據總線相連。本發明利用SIR粒子濾波技術評估更新載體的位置，可以有效克服水流干擾造成的誤差，并且可以適用于地圖分辨率較小的地區，拓展應用范圍。

技術領域

本發明涉及水下航行器自主導航領域，特別涉及一種基于SIR粒子濾波方法的地形輔助導航系統。

背景技術

目前，水下運載器常用的定位導航方式有GPS/INS組合定位與聲學定位。但在常年有冰雪覆蓋的北極地區，無法有效利用GPS，并且較厚的冰層不利于聲學信標的布置。單獨利用慣性傳感器會引起無邊界的誤差累積。地形輔助導航僅利用距離傳感器獲取高度數據，即可實現一定精度的定位。粒子濾波技術可以解決非線性系統與非高斯觀測的解算問題，是地形輔助導航系統中常用的方法。在地形輔助導航中，海流與地圖分辨率是影響導航精度的兩大因素，應建立有效的航跡推算模型，采用合理的濾波技術，有效克服海流與低分辨率地圖的影響。

此外，隨著對水下信息采集要求的提高，當代水下運載器要求可以在水下長時間連續工作，因此需要考慮功耗的限制，而傳統導航系統中利用多波束聲吶或多普勒聲速儀會增加系統功耗，減小運載器的聯系運行時間。基于單波束的高度數據進行導航，增加了導航的難度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于SIR粒子濾波方法的低功耗地形輔助導航系統，其在低分辨率地圖與單波束高度數據的情況下，可有效提升導航的精度；本發明基于建立的有效運動模型，合理選擇海流造成的運動誤差，克服海流造成的影響；利用雙線性插值技術與系統重采樣技術降低低分辨率地圖造成的誤差；該系統基于獲取的單波束高度數據更新推算當前位置，可以有效節省能源，克服海流對導航的影響，提升水下運載器在水下聯系工作的能力。

為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種基于粒子濾波方法的地形輔助導航系統，包含導航數據采集板塊和導航數據處理板塊；所述導航數據采集板塊設有：用于提供目標載體的位置信息、運動信息和姿態信息的慣性導航傳感器、用于提供目標載體的水下深度信息的深度計和用于提供載體距離海底的高度信息的高度計；所述導航數據處理板塊設置有相互通信連接的航位推算模塊和粒子濾波模塊；慣性導航傳感器、深度計和高度計中的一種或多種分別將各自輸出的數據信息傳輸至所述航位推算模塊和/或所述粒子濾波模塊中；所述航位推算模塊輸出航位推算數據并經所述粒子濾波模塊進行濾波，最終得到目標載體位置結果。

優選地，所述粒子濾波模塊為SIR粒子濾波模塊。

優選地，慣性導航傳感器、深度計和高度計分別與數據總線相連，所述數據總線分別與導航數據處理板塊中的航位推算模塊和粒子濾波模塊相連；慣性導航傳感器、深度計和高度計分別將各自輸出的數據信息通過所述數據總線傳輸到航位推算模塊和粒子濾波模塊中。

優選地，所述慣性導航傳感器設置在所述目標載體上。

優選地，所述目標載體為水下運載器。

優選地，所述慣性導航傳感器輸出沿水下運載器側向、水下運載器軸向的加速度，以及航向角，記作其中，水下運載器的側向記為x軸方向，水下運載器的軸向記為y軸方向，分別表示沿水下運載器x軸與y軸的加速度，ψ表示航向角；所述深度計輸出水下運載器的深度z，所述高度計輸出水下運載器距離海底的高度h。

本發明進一步提供了一種基于如上文所述的基于粒子濾波方法的地形輔助導航系統的仿真方法，該方法包含以下步驟：