[發明專利]一種基于多傳感器數據融合的AUV導航定位方法及系統

在審

• 申請號: 202010514731.3
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111829512A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 盧曼曼;郭眀禹;李宇航;張南南
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01S19/45;G01S19/47
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 馬全亮

本發明涉及一種基于多傳感器數據融合的AUV導航定位方法及系統。該方法中，采用不依賴外部信息、不受環境影響的慣性導航系統作為主慣導系統，GPS/USBL作為輔助定位系統，DVL作為輔助測速系統，旨在應用多種較低精度傳感器設計一種高精度組合導航系統。步驟一：建立慣性導航運動學模型；步驟二：定義AUV的3維空間、6個自由度的運動參數；所述AUV是指無人水下潛航器；步驟三：確定組合導航系統模型的基本形式；步驟四：進行慣性導航、聲學導航和衛星導航相結合的組合導航。該組合導航方式應用在AUV的水面、水下運動測試中，均取得較好的定位效果，定位誤差在10m左右，是系統具有更高的穩定性和實用性。

技術領域

本發明發明涉及一種基于多傳感器數據融合的AUV導航定位方法及系統， 屬于水下組合導航技術領域。

背景技術

水下導航問題仍然是水下移動平臺所面臨的主要技術挑戰之一，由于水下環 境的復雜性和特殊性，AUV(無人水下潛航器)水下定位極其困難。學者們關 注的重點在于如何克服水下環境對水下定位的影響，提高水下定位的精度，也是 近年來的研究熱點。水下環境對于AUV定位的影響主要表現為以下幾個方面:

(1)干擾多，影響大。在海洋中，不僅存在海面風、潮汐、海流、海面鋒、 溫度躍層、密度躍層等干擾，還存在溫度、鹽度、密度、壓強等對水下定位儀器 的影響。

(2)能見度低。由于光在海水中衰減和散射比在大氣中強烈得多，海水中的 水平視程僅為大氣中的千分之一。通常情況下海中能見度為20m，具體數值會受 到水質及水色的影響。

(3)電磁波在水中無法傳播，聲信號傳播效率低，可靠率低。這使得陸地上 一些精準的定位設備(如GPS)的應用受到了很大的限制。

(4)成本高、體積大、重量大的設備不便于AUV攜帶。由于AUV自身體積 和重量的限制，對水下定位設備的體積和重量會形成一定的制約。同時，高精度 的水下定位設備一般價格比較昂貴，在一些非軍用的航行器上的應用也受到了限 制。

(5)隱蔽性問題。對于軍事用途的AUV而言，隱蔽性是執行任務的先決條 件，有些聲學或視覺的水下定位方法，會將自身暴露。

實際應用中，需根據AUV的實際作業需求，結合上述水下環境的特點選擇 合適的水下定位方法。不僅要考慮AUV工作的深度范圍，也要考慮AUV執行 任務的航程時間。不同的水下定位方法有不同的適用范圍，多種水下定位方法組 合可以提高定位精度。

目前，學者們正努力尋求適合水下環境的導航定位方法。常用的水下導航方 法分為以下幾類，如圖1所示。但由于單一導航方式總是存在缺陷，在精度、可 靠性上還無法滿足水下長時間、長航程的高精度導航需求，部分導航手段只能作 為輔助，通過組合導航手段對不同導航方式進行優勢互補，可以獲得更高的導航 性能。

發明內容

本發明發明的目的是：為了解決水下單一導航缺陷的問題，選取最佳統計理 論為方法，采用信息融合技術構建組合導航系統，根據各個單一導航方法進行取 長補短，并且可以在不影響整體導航精度的前提下降低某單一導航系統的精度要 求，降低導航程度和技術難點，具有高性價比和高精度的特點。

本發明采用如下技術方案實現：

一種基于多傳感器數據融合的AUV組合導航方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：建立慣性導航運動學模型；

步驟二：定義AUV的3維空間、6個自由度的運動參數；所述AUV是指 無人水下潛航器；

步驟三：確定組合導航系統模型的基本形式；

步驟四：進行慣性導航、聲學導航和衛星導航相結合的組合導航。

進一步的，慣性導航運動學模型具體為：

慣性導航姿態更新為：