呂志剛

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

自主水下航行器（Automatic Underwater Vehi?cle，AUV）是能夠在水下自主航行、自動控制、并能按照設定的程序自主完成預定任務的水下集成系統(tǒng)，它在海洋權(quán)益的維護和海洋開發(fā)等方面均有廣泛的應用［1］。要使自主水下航行器能夠完成預定的使命和任務，水下導航定位是一項關鍵技術(shù)，也是決定水下航行器技術(shù)發(fā)展與應用的關鍵技術(shù)和瓶頸技術(shù)。由于水下導航與空氣中導航相比，具有工作時間長、環(huán)境復雜、信息源少、隱蔽性要求高等特點，因而水下導航相對在空氣中的導航具有更大復雜性和難度［2～3］。單一的導航系統(tǒng)由于自身存在的不足，已無法滿足現(xiàn)代導航系統(tǒng)高精可靠性的要求。因為慣性導航系統(tǒng)雖然是一種完全自主的導航系統(tǒng)，可提供速度、姿態(tài)和位置信息，但導航誤差隨時間積累［4～5］。如果將多種系統(tǒng)適當?shù)亟M合，便可取長補短，大大提高導航精度。將捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）和多普勒計程儀（Doppler Velocity Log，DVL）系統(tǒng)兩種導航方式組合，可以構(gòu)成具有高精度、高可靠性、高自主性的SINS/DVL水下組合導航系統(tǒng)，該組合模式工作時不需要任何外部陸基或星基設備的支持，是目前比較成功的水下組合導航系統(tǒng)［6］。

2 AUV組合導航系統(tǒng)的組成

本文研究的AUV組合導航系統(tǒng)采用SINS/GPS/DVL組合導航的方式，為載體提供連續(xù)、高精度的導航信息，其原理框圖如圖1所示。當AUV在水下航行時采用SINS和DVL組合的實行導航，當航行一定路程后，通過控制AUV的航行深度和速度，待航行深度及速度穩(wěn)定后將GPS放出至水面接收GPS信號，實現(xiàn)SINS的有源校準，從而校正AUV水下航行的累積偏差，校準結(jié)束后收回GPS，保證AUV依然能夠沿著指定航線繼續(xù)航行。

2.1 捷聯(lián)式慣性（SINS）導航系統(tǒng)

捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)把慣性測量元件（陀螺儀和加速度計）直接安裝在本體上，利用慣性測量單元基準方向及最初的位置信息來確定運載體的姿態(tài)、方位、速度和位置的自主式推算導航系統(tǒng)。

本論文講述的捷聯(lián)慣組由3只二頻抖動激光陀螺、3只石英加速計及相應電源模塊、加速計電路模塊、陀螺電路模塊、主計算機電路模塊等功能組件組成。

3只陀螺和3只加速計按正交方式安裝在本體上，構(gòu)成慣性敏感組件。激光慣組用陀螺敏感載體坐標系方向的角速度和加速計敏感載體坐標系方向的比力，通過四元數(shù)積分算法建立載體坐標系到導航坐標系的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，將比力增量轉(zhuǎn)換到導航坐標系，從而建立數(shù)學平臺。對比力增量進行積分得到速度、位置參數(shù)，并計算載體的航向、姿態(tài)參數(shù)，完成純慣性導航計算。通過串行通信接收多普勒計程儀數(shù)據(jù)，并完成Kalman濾波算法，得出經(jīng)修正的速度、位置、航向、姿態(tài)參數(shù)，然后通過串行通信口發(fā)送給中央控制單元。激光慣組的純慣導算法流程如圖2所示，其主要性能指標見表1所示。

2.2 多普勒計程儀

目前精度較高的水下多普勒計程儀普遍采用固定波速方向的四波速系統(tǒng)。即發(fā)射的聲波波速的方向相對多普勒測速儀的儀表坐標系的角度位置固定不變，多普勒計程儀在AUV上安裝時使其儀表坐標系與AUV載體坐標系各軸平行且方向保持一致，此時反應在多普勒計程儀儀表坐標系的速度也就是AUV載體坐標系的速度。

表1 SINS性能指標

多普勒計程儀主要用于修正激光慣組的速度誤差。聲波計程儀的測速誤差經(jīng)過一次積分轉(zhuǎn)化為航程誤差，測速誤差中的一些隨機量通過長時間積分可以抵消，而一些漂移量則最終體現(xiàn)為航程誤差。根據(jù)目前多普勒計程儀的誤差特性，其測速誤差不大于0.5%時，可以保證組合導航精度。DVL的一些主要性能指標見表2所示。

表2 DVL性能指標

2.3 GPS導航系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國國防部研制的第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)自投入使用以來，以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便和應用廣泛等特點著稱。優(yōu)點是可在全球范圍內(nèi)、全天候提供高進度的三維位置、三維速度和時間基準信息，通常更新時間為1s。

表3 GPS性能指標

3 標定方法

為提高AUV的SINS/DVL組合導航系統(tǒng)定位精度需要準確標定出捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和多普勒計程儀之間的安裝誤差角以及DVL的刻度系數(shù)。安裝誤差角可通過AUV實航標定得出或通過測量設備測出安裝誤差角然后將測量的安裝誤差值寫入SINS，然而DVL的刻度系數(shù)可單獨通過跑船試驗計算得出，并只需出廠時進行即可，后期使用過程中參數(shù)固定并可一直沿用。

3.1 實航標定安裝誤差角

實航標定可以根據(jù)航行水域深度和當時海況進行選擇是水面自主航行還是水下自主航行進行標定。如圖3所示，標定時選擇一片開闊水域，設計的AUV的預定航線為B→C→D→E→F→G，，整個航行過程采用自主航行，這樣可確保AUV是勻速直線航行。當AUV航行至標定航路起始點B后AUV進行降速，AUV航行速度小于1kn后進行第一次有源校準，有源校準結(jié)束后通過水面操控臺下發(fā)自主任務文件開始標定，此時AUV開始注水下潛，之后沿BC方向進行定深水下自主航行。到達D點后AUV降速并進行深度調(diào)整，當深度調(diào)整為25m并航行速度小于1kn，則進行釋放GPS至水面開始第二次有源校準，校準結(jié)束后收回GPS繼續(xù)下潛航行。之后分別在F、G點進行第三、第四次有源校準，第四次有源校準結(jié)束后標定結(jié)束。

為了使得安裝誤差角標定更準確，因此在整個標定過程中AUV做了多次水下折返航行并進行4次有源校準，并且兩次有源校準之間航行盡可能遠（兩次大于7km，一次大于5km）。這樣AUV可不受海況影響，并可通過求多次安裝誤差角的平均值就可得到實際所需的精確修正后的安裝誤差角。

3.2 測量安裝誤差角

將三個角度測量儀器制作為SINS、DVL換能器、ACL換能器的安裝定位接口，并分別模擬導航組件緊固安裝于AUV上的相應位置，角度測量儀器中的傳感器利用傾角傳感器，其參數(shù)如表4所示。測量后通過讀取三個角度測量儀器的傾角值，即可計算出導航組件間的安裝誤差角（亦可多次測量減小誤差），然后將安裝誤差角寫入SINS，為了保證該安裝誤差角滿足航行精度要求，參數(shù)寫入后需要進行一段距離的實航驗證，具體流程如圖4所示。

表4 傾角傳感器參數(shù)表

3.3 DVL刻度系數(shù)標定

DVL在水中由于受水溫、鹽度和環(huán)境噪聲的影響，而且本身的信號存在衰減、散射等情況，因此測量的速度與真實值存在差異。此時可以引入一個系數(shù)k對DVL的速度進行綜合誤差修正。系數(shù)k可通過實航跑船試驗獲得，試驗時將計程儀平均速度與GPS輸出的航行平均速度進行對比，這樣就可擬合出一個較真實的系數(shù)k，平均值計算公式見式（1）、（2），各速度值從航行開始計時取大于6km以上數(shù)據(jù)，大于6km后每秒輸出數(shù)據(jù)為一個采樣點。

4 誤差分析

組合導航系統(tǒng)的誤差主要包括設備固有誤差和系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差主要有設備的安裝誤差。雖然安裝誤差可以通過標定進行修正，但是當SINS或多普勒計程儀換能器出現(xiàn)故障或要進行長途運輸時需要將其從AUV上拆下，則導航設備相對AUV的相對位置就發(fā)生改變，并且多普勒計程儀換能器與SINS的相對位置也發(fā)生變化，因此不可避免地引入了系統(tǒng)誤差，但經(jīng)過試驗驗證表明經(jīng)過標定后的AUV即使導航設備相對位置發(fā)生變化，但組合導航精度仍然滿足要求。因此以下主要分析各設備的誤差源。

談及農(nóng)資行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，“社會責任”和“為農(nóng)服務”這兩個詞時常被劉彬提起。他表示，單純依靠價格和數(shù)量取勝的時代已經(jīng)過去，農(nóng)資生產(chǎn)和流通企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心就是要“把自己交給社會”，以社會的需要為出發(fā)點，憑借優(yōu)質(zhì)精準的服務實現(xiàn)企業(yè)和行業(yè)的長遠發(fā)展。“真正從農(nóng)民的角度出發(fā)幫助其增產(chǎn)增收，農(nóng)民就會真心的歡迎你，有農(nóng)民攔車‘送地’要求合作，還有更多農(nóng)民和農(nóng)拓者成為了家人，是農(nóng)民朋友們給了我快樂。農(nóng)拓者會努力做得更好，路會越來越寬！”劉彬動情地說道。一顆愛心為農(nóng)，創(chuàng)新實干助農(nóng)，亦必會為農(nóng)所愛，企業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型之路何難風正帆揚。

4.1 SINS誤差分析

慣性導航系統(tǒng)是由高精度慣性元件組成的自主性強、精度高、安全可靠的導航設備。但是一切儀表的精度都是相對的。慣性導航系統(tǒng)從它的結(jié)構(gòu)安裝、慣性元件到工程實施等各個環(huán)節(jié)都不可避免地存在一些誤差因素，這些導致慣性導航系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的因素統(tǒng)稱為誤差源。

慣性導航系統(tǒng)主要有三大部分組成，分別是激光陀螺儀、加速度計和計算機處理相關單元，其誤差源主要有以下幾種。

1）結(jié)構(gòu)誤差：主要是陀螺儀和加速度計安裝誤差；

2）元件誤差：主要是陀螺儀的漂移率和加速度計的零位誤差；

3）轉(zhuǎn)換誤差：主要有加速度計的刻度系數(shù)誤差、陀螺儀力矩傳感器的刻度系數(shù)誤差以及轉(zhuǎn)換裝置本身的量化誤差；

4）初始條件誤差：主要是初始姿態(tài)誤差和計算機單元在計算導航動力學方程時引進的初始速度和初始位置誤差。

4.2 多普勒計程儀誤差分析

多普勒計程儀是利用聲波傳播的多普勒效應測量AUV航行速度。設聲源S發(fā)射信號的頻率為f，當聲源與觀察者O之間存在相對徑向運動時，觀察者接收到的聲波頻率為，其中c為聲速，v0和vs分別為聲源和觀察者相對介質(zhì)的運動速度［7～8］。

當利用多普勒效應測量AUV航行速度時，AUV首先作為聲源，海底為觀察者，當聲波被海底介質(zhì)發(fā)射時，海底作為聲源，而AUV自身作為觀察者，并在 v＜＜c的情況下，多普勒頻率，其中 f2為接收信號的頻率。 fd的精確公式為對比發(fā)現(xiàn)簡化公式是在精確公式基礎上舍去了二次項和其它高此項的近似表達式，從而通過簡化公式引入了誤差[9]。通過對精確公式分析可知多普勒頻率的主要誤差源有：1）公式簡化引入的誤差；2）AUV運動狀態(tài)不穩(wěn)定性引起的誤差，多普勒頻移與波束傾角有密切關系，AUV搖擺引起波束傾角的變化，從而產(chǎn)生測速誤差；3）聲速變化引起的誤差，主要是因為海水中的聲速是海水的密度、鹽度和靜壓力的函數(shù)；4）波束展寬引起的誤差，多普勒計程儀接收回波信號時，由于發(fā)射波束總有一定寬度（5°），此時的回波信號是不同角度的聲線返回后的集合，致使回波信號頻譜相比發(fā)射信號頻譜展寬；5）基陣安裝引起的誤差，主要是因為多普勒計程儀是通過測量波束主軸方向的多普勒頻移來計算AUV速度的，如果在安裝多普勒基陣時發(fā)生了位置偏差，使得實際安裝的基陣波束主軸與設計的波束主軸方向存在夾角，就會帶來誤差。

5 結(jié)語

文中針對AUV在大航程時存在較大的導航定位精度問題，提出SINS/DVL/GPS組合導航系統(tǒng)方案，然后對AUV組合導航系統(tǒng)的標定方法進行了系統(tǒng)性的研究，并對組合導航系統(tǒng)的誤差進行分析。但如何才能實現(xiàn)快速標定、標定完成后可實現(xiàn)多普勒計程儀換能器和SINS拆裝后不影響組合導航系統(tǒng)精度以及導航設備可不依賴AUV進行單獨標定，需要我們在研究AUV同時，更加關注組合導航系統(tǒng)的研究，從而使該關鍵技術(shù)能夠得到相應的突破。

［1］王小峰.水下航行器INS/GPS/DVL組合導航方法［J］.魚雷技術(shù)，2010，18（8）：287-290.

［2］張濤，徐曉蘇.INS/GPS/DVL組合導航系統(tǒng)中測量延遲的影響及標定方案分析［J］.吉林大學學報：工學版.2010，40（11）：1735-1740.

［3］LEE PAN-MOOK，KIM SEA-MOON，et al.Improvement on an inertial-doppler navigation system of underwater ve?hicles using a complementary range sonar［J］.Underwter，2004，29：133-138.

［4］TITTERTON DH，WESTON J L.Strap-down Inertial Navi?gation Technology［M］.2th ed.The Institution of Electri?cal Engineers，2004：335-374.

［5］秦永元.慣性導航［M］.北京：科學出版社，2006：164-170.

［6］劉承香，孫楓，曹結(jié).SINS/GPS/DVL組合導航系統(tǒng)的容錯研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2003，24（4）：157-160.

［7］劉伯勝，劉家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1997：59-86.

［8］田坦，劉國枝，孫大軍.聲納技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000：149-169.

［9］陳傳坎.船用多普勒計程儀測速精度分析［J］.航海技術(shù)，2004（2）：33-34.