[发明专利]基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航系统，可用于水下潜器及水面航行器的导航及跟踪定位。

背景技术

AUV（Autonomous Underwater Vehicle自主水下航行器）是探索和开发利用海洋环境资源的重要工具，也在海洋军事应用方面发挥着重要作用。因其远程性、隐蔽性和自主性，使得AUV的导航问题仍是目前面临的主要技术挑战之一。由于水下环境复杂，常采用组合导航方式对AUV进行导航定位，而组合导航系统滤波器设计是保证导航精度的关键。目前常规AUV的导航定位精度可达到<0.8nmile/h左右，在一定程度上满足了AUV导航定位的精度要求。

SINS（Strapdown Inertial Navigation Systems捷联惯性导航系统）系统具有自主导航能力，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能够连续的提供载体位置、速度和姿态等导航定位信息，其数据更新频率快，且在短时间内具有较高的相对精度。但是，随着系统工作时间的延长，SINS系统的导航误差会随之积累增长，此时就需要利用外部传感器的观测信息通过滤波算法来修正补偿SINS系统，以抑制其随时间积累的误差。

GPS（Global Positioning System全球定位系统）是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的全球卫星导航定位系统。GPS系统通过接收分布在空中的24颗导航卫星发送的无线信号来计算导航定位信息，具有全球性、全天候、实时性等优点。但是电磁波信号在水下衰减迅速，达到一定深度时，GPS信号将无法捕获，不能提供导航和定位功能，不能满足某些需要实时定位的水下航行器的功能需求。

DVL（Doppler Velocity Log多普勒计程仪）是广泛应用于水下及水面航行器组合系统的速度测量装置，具有实时输出载体三维速度与航程能力的声学导航定位系统。DVL系统通过安装于AUV底部的四个换能器信息求得声波频移，进而计算得到载体在载体系的三维速度信息，具有精度高、可靠性、实时性等优点。

由于水下环境复杂、航位推算系统位置误差随时间累积以及AUV的长航时、隐蔽性要求，基于SINS/DVL的航位推算组合系统的常规滤波算法精度难以达到高精度导航定位功能需求；在提高滤波算法精度的同时，每经过一段时间间隔后，AUV需要上浮至水面，此时通过引入GPS信号对其进行位置校正，使其能够沿着设定的轨迹航行。

在系统模型和噪声统计特性精确已知时，Kalman滤波是最优估计，精度高，但是在实际应用中，只能建立近似的数学模型并且很难获得精确的噪声统计特性，若系统模型精确性差或者系统噪声为非高斯白噪声时，Kalman滤波精度下降甚至出现滤波发散，难以实现系统高精度导航跟踪定位功能。

基于Krein空间的H∞滤波算法对系统统计特性不作任何假设，具有滤波模型简单、鲁棒性好的优点。但是H∞滤波算法是以牺牲一定精度为代价获得系统鲁棒性的，精度难以保证。

综合考虑Kalman滤波算法的高精度和H∞滤波算法的鲁棒性，将Kalman滤波算法与H∞滤波算法相结合，得到一种高性能的优化滤波算法；该滤波算法具有较强的关于模型不确定性的鲁棒性以及对系统状态的较高精度跟踪能力；运用所提出的优化滤波技术将SINS导航信息、GPS接收机星历数据、DVL计程仪的三维速度信息进行数据融合计算，在保证导航精度的基础上可以显著提高系统鲁棒性能，进一步提升了捷联惯导系统导航定位性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航系统，将DVL测速信息及GPS位置信息引入AUV组合系统，以辅助SINS进行导航及跟踪定位；该系统整合了多个子导航系统信息，克服了AUV导航系统易受环境影响、SINS系统的导航定位误差随时间延续不断累积达不到精度要求以及滤波模型不准确或者系统受到有色噪声干扰而导致的Kalman滤波精度下降的缺陷。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航系统，包括SINS系统、GPS接收机、DVL计程仪和数据融合中心，所述SINS系统、GPS接收机、DVL计程仪和数据融合中心均安装在AUV上；

所述SINS系统包括IMU元器件及IMU处理单元，所述IMU传感器用于检测AUV的惯性数据，并输出至IMU处理单元，所述IMU处理单元对惯性数据进行导航积分计算，获得AUV在导航坐标系下的导航信息；