董權(quán)威, 岳才謙, 王奧博, 王亭亭

基于逆向解算的領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理方法

董權(quán)威, 岳才謙, 王奧博, 王亭亭

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京, 100074)

由于多自主水下航行器(AUV)協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)在水下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí), 領(lǐng)航AUV無(wú)法接收外界信息, 其定位誤差會(huì)逐漸發(fā)散進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的定位性能。針對(duì)該問(wèn)題, 文中提出一種基于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)/多普勒計(jì)程儀(SINS/DVL)和SINS/DVL/全球定位系統(tǒng)(GPS)組合導(dǎo)航相結(jié)合的領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理方法。領(lǐng)航AUV在水下采用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行正向解算, 并保存其在水下航行過(guò)程中產(chǎn)生的導(dǎo)航信息。領(lǐng)航AUV出水后接收GPS信號(hào), 同時(shí)采用SINS/DVL與SINS/DVL/GPS 2種導(dǎo)航方式進(jìn)行獨(dú)立濾波, 濾波結(jié)束后逆向解算出領(lǐng)航AUV在水下累計(jì)的定位誤差, 通過(guò)結(jié)合正向和逆向解算出的結(jié)果, 使領(lǐng)航AUV在水下累計(jì)的定位誤差得到有效修正, 進(jìn)而提高多AUV系統(tǒng)的整體定位性能。最后通過(guò)仿真對(duì)該方法的可行性與有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法可用于海底地形掃描、海圖繪制與水下探測(cè)等領(lǐng)域, 可進(jìn)一步提升多AUV系統(tǒng)采集的水下任務(wù)數(shù)據(jù)的位置精度, 提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

自主水下航行器; 組合導(dǎo)航; 逆向解算; 后處理

0 引言

近年來(lái), 在自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)應(yīng)用領(lǐng)域中, 多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)已成為重點(diǎn)研究方向之一。多AUV協(xié)同作業(yè)能夠承擔(dān)單體AUV難以完成的復(fù)雜任務(wù), 同時(shí)具有效率高、可靠性好的特點(diǎn), 具有廣闊的應(yīng)用前景。在多AUV協(xié)同系統(tǒng)中, 各AUV通過(guò)裝配水聲設(shè)備組成通信網(wǎng)絡(luò), 使AUV間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互, 從而實(shí)現(xiàn)AUV間導(dǎo)航數(shù)據(jù)的共享[1-2]。多AUV系統(tǒng)一般采用領(lǐng)航跟隨式協(xié)同導(dǎo)航方式, 且領(lǐng)航AUV中裝配有高精度導(dǎo)航設(shè)備與水聲通信設(shè)備, 跟隨AUV僅配有低精度的導(dǎo)航設(shè)備和水聲通信設(shè)備, 由于領(lǐng)航AUV配有高精度導(dǎo)航設(shè)備, 因此將其作為協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)定位的基準(zhǔn), 即只需少量配有高精度導(dǎo)航設(shè)備的領(lǐng)航AUV幫助其他配有低精度導(dǎo)航設(shè)備的跟隨AUV完成高精度定位, 且跟隨AUV的數(shù)量理論上不受限制, 具有高精度、低成本的特點(diǎn), 因此一直是協(xié)同導(dǎo)航研究的重點(diǎn)[3-5]。

主從式多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)以領(lǐng)航AUV的定位信息為基準(zhǔn), 可在航行過(guò)程中時(shí)刻修正跟隨AUV累計(jì)的定位誤差[6-7]。但由于領(lǐng)航AUV在水下航行時(shí)不能接收外界信息, 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間航行, 其定位精度勢(shì)必會(huì)發(fā)散, 增大導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算誤差, 從而會(huì)影響整個(gè)航行編隊(duì)的定位性能。文獻(xiàn)[3]針對(duì)單領(lǐng)航協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)可觀測(cè)性弱的問(wèn)題, 提出了一種基于雙領(lǐng)航AUV交替領(lǐng)航的多AUV協(xié)同導(dǎo)航方法, 通過(guò)在相鄰時(shí)刻, 跟隨AUV利用不同領(lǐng)航AUV的距離量測(cè)信息進(jìn)行誤差的協(xié)同校正, 提高協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測(cè)性[8-9]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)領(lǐng)航AUV無(wú)法借助外部有源信息修正自身定位誤差的問(wèn)題, 提出一種基于距離量測(cè)的雙領(lǐng)航AUV間協(xié)同導(dǎo)航算法, 通過(guò)2個(gè)AUV進(jìn)行相對(duì)機(jī)動(dòng), 以保證系統(tǒng)可觀測(cè), 最終實(shí)現(xiàn)2個(gè)領(lǐng)航AUV定位誤差趨同。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于導(dǎo)航數(shù)據(jù)反演的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(strap-down inertial navigation system, SINS)對(duì)準(zhǔn)方法, 通過(guò)對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)執(zhí)行逆向-正向解算, 降低了系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。針對(duì)以上研究, 并參考文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]所采用的導(dǎo)航信息反演思想, 文中提出一種基于SINS/多普勒測(cè)速儀(Doppler velocity log, DVL)與SINS/DVL/全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)相結(jié)合的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理方法, 該方法在水下采用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行正向?yàn)V波; 出水后, 領(lǐng)航AUV接收GPS定位信息, 采用SINS/DVL與SINS/DVL/GPS 2種組合導(dǎo)航方式并進(jìn)行獨(dú)立濾波, 濾波結(jié)束后, 逆向解算得出系統(tǒng)的定位誤差, 通過(guò)結(jié)合正向和逆向解算的結(jié)果, 對(duì)領(lǐng)航AUV在水下累計(jì)的定位誤差進(jìn)行修正。該方法應(yīng)用于海圖繪制、海底勘探等領(lǐng)域, 可以有效修正領(lǐng)航AUV在水下累計(jì)的定位誤差, 提高其定位精度, 進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的定位性能。

1 基于SINS/DVL/GPS組合的領(lǐng)航AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)濾波方法

一般情況下, SINS/DVL組合系統(tǒng)所采用的是間接濾波方式, 獲得SINS誤差狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)后, 通過(guò)反饋校正, 將速度誤差、位置誤差、失準(zhǔn)角誤差與陀螺漂移反饋給系統(tǒng), 利用慣導(dǎo)解算對(duì)反饋的信息進(jìn)行誤差補(bǔ)償, 得到更加準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

通過(guò)結(jié)合SINS/DVL與SINS/DVL/GPS 2種組合方式, 可為領(lǐng)航AUV提供更高精度的導(dǎo)航信息。領(lǐng)航AUV在水下航行時(shí), 采用SINS/DVL方式進(jìn)行導(dǎo)航, 當(dāng)其完成水下任務(wù)出水后接收GPS信息, 并采用SINS/DVL/GPS方式進(jìn)行導(dǎo)航, 對(duì)自身的定位信息進(jìn)行修正, 同時(shí)繼續(xù)采用SINS/DVL進(jìn)行水面導(dǎo)航, 對(duì)速度信息進(jìn)行更新與修正。通過(guò)接收的GPS信息, 對(duì)領(lǐng)航AUV出水時(shí)刻的定位誤差進(jìn)行修正, 并進(jìn)行逆向推導(dǎo), 反演出領(lǐng)航AUV在水下累計(jì)的定位誤差, 進(jìn)而對(duì)其在水下航行過(guò)程累計(jì)的誤差進(jìn)行修正。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波原理框圖如圖1所示。

1.2 DVL誤差模型

DVL所采用的原理是多普勒效應(yīng), 多普勒效應(yīng)是指沿發(fā)射源的發(fā)射點(diǎn)與接收源的接收點(diǎn)間的直線方向產(chǎn)生相對(duì)速度時(shí), 發(fā)射與接收頻率不相同, 產(chǎn)生的頻率差為多普勒頻移。產(chǎn)生的相對(duì)速度與多普勒頻移成正比, 根據(jù)發(fā)射頻率和多普勒頻移就可求出這一相對(duì)速度[6-7], DVL的工作原理圖如圖2所示。

圖1 SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波原理框圖

首先, 在不考慮DVL與INS安裝偏差的條件下, 在載體系上DVL測(cè)速誤差方程的矢量方程形式可以表示為

式中: 為載體系下DVL的測(cè)速誤差; 為DVL的速度; 為量測(cè)噪聲; 為刻度系數(shù)誤差, 一般情況下可以看作常值。

若采用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式, 由于DVL的實(shí)際坐標(biāo)系與載體系不完全重合, 所以需要對(duì)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行估計(jì), DVL下的坐標(biāo)系與AUV下的坐標(biāo)系間的速度關(guān)系可表示為

其中

2 領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理算法

2.1 導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理算法設(shè)計(jì)思路

領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)的后處理采用逆向解算的方式進(jìn)行處理, 通過(guò)對(duì)正向解算后的結(jié)果反向遞推, 得到逆向推導(dǎo)后的誤差, 最后結(jié)合正向與逆向解算后的結(jié)果, 消除正向解算過(guò)程發(fā)散的定位誤差, 使之趨于收斂。

多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)在水下航行過(guò)程中, 采用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式進(jìn)行定位, 將導(dǎo)航設(shè)備與傳感器采集的信息進(jìn)行保存, 并用于事后的分析和處理。通常情況下, 對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)采用卡爾曼濾波進(jìn)行估計(jì)。但是, 由于水下GPS信號(hào)缺失, 采樣的導(dǎo)航數(shù)據(jù)不包含GPS信息, 當(dāng)AUV在水下長(zhǎng)期運(yùn)行后, 必然會(huì)引起導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差的發(fā)散, 此時(shí)如果將其用于逆向解算, 會(huì)導(dǎo)致整個(gè)多AUV系統(tǒng)的定位性能受到影響[8]。

圖3 領(lǐng)航AUV正向-逆向解算過(guò)程原理圖

水下航行時(shí), 系統(tǒng)采用SINS/DVL組合方式導(dǎo)航; 出水后系統(tǒng)接收GPS信息, 由于此時(shí)的GPS信息含有噪聲干擾, 若用其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位置修正會(huì)帶來(lái)誤差。通過(guò)設(shè)計(jì)SINS/DVL與SINS/ DVL/GPS 2種濾波方式對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息進(jìn)行后處理, 可使系統(tǒng)的定位精度得到進(jìn)一步提高。對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí), 2種濾波器獨(dú)立運(yùn)行, 濾波結(jié)束后, 利用濾波結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的位置進(jìn)行修正。領(lǐng)航AUV的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理算法如圖4所示。

圖4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理示意圖

將SINS與DVL的速度差和SINS與GPS的位置差作為量測(cè)輸入, 利用卡爾曼濾波器對(duì)導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行估計(jì), 并對(duì)估計(jì)出的導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行校正后反饋給SINS, 最后利用逆向解算算法對(duì)系統(tǒng)在航行過(guò)程中保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向解算, 得到逆向解算后的定位誤差。結(jié)合系統(tǒng)出水前后正向和逆向解算的定位誤差, 對(duì)系統(tǒng)出水前的位置誤差進(jìn)行校正。利用這種后處理算法可以有效對(duì)系統(tǒng)在水下航行過(guò)程中產(chǎn)生的定位誤差進(jìn)行修正, 從而提高系統(tǒng)整體的定位性能。

2.2 逆向?qū)Ш剿惴?/h3>

1) 姿態(tài)更新微分方程

式中

2) 速度更新微分方程

3) 位置更新微分方程

其中

通過(guò)上式的推導(dǎo), 對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和逆向處理, 實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到點(diǎn)的逆向解算。在正逆向解算過(guò)程中, 航行器的位置坐標(biāo)、姿態(tài)矩陣和速度大小在同一時(shí)刻相同, 而速度方向相反。

2.3 卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3所示, 領(lǐng)航AUV從點(diǎn)航行至點(diǎn)時(shí), SINS/DVL組合濾波方式一直存在; 而在時(shí)刻系統(tǒng)出水后引入GPS信息, 系統(tǒng)增加了SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航方式, 2種濾波方式同時(shí)存在且獨(dú)立運(yùn)行, 結(jié)合領(lǐng)航AUV的正向和逆向解算的數(shù)據(jù)信息, 對(duì)其在水下航行過(guò)程中的定位誤差進(jìn)行修正。

2.3.1 SINS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波模型

其中

取系統(tǒng)狀態(tài)向量為

系統(tǒng)的狀態(tài)方程

已知捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)得的速度為

將SINS測(cè)得的速度與DVL速度儀測(cè)得的速度在地理坐標(biāo)系下的投影作差可得

2.3.2 SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波模型

采用SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航方式, 系統(tǒng)的狀態(tài)方程與SINS/DVL組合導(dǎo)航狀態(tài)方程相同, 因此只研究系統(tǒng)的觀測(cè)方程。

系統(tǒng)的觀測(cè)方程為

根據(jù)離散系統(tǒng)的卡爾曼濾波方程

3 仿真驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航對(duì)協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差精度的影響, 并驗(yàn)證該方法的可行性及有效性, 文中通過(guò)對(duì)領(lǐng)航AUV的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理, 并通過(guò)仿真對(duì)比分析了該方法對(duì)領(lǐng)航AUV定位精度的影響。

表1 領(lǐng)航AUV航行軌跡參數(shù)設(shè)置

圖5 領(lǐng)航AUV運(yùn)動(dòng)軌跡

SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波過(guò)程中所需的初始條件如下:

圖6為領(lǐng)航AUV正向解算得到的經(jīng)緯度誤差曲線, 利用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式進(jìn)行正向?qū)Ш浇馑? 隨著時(shí)間的增長(zhǎng), 領(lǐng)航AUV的定位誤差也隨之增大。圖7為對(duì)領(lǐng)航AUV的導(dǎo)航信息進(jìn)行逆向解算得到的經(jīng)緯度誤差曲線, 系統(tǒng)出水后引入GPS信息, 修正系統(tǒng)的位置誤差, 同時(shí)利用SINS/DVL與SINS/DVL/GPS 2種導(dǎo)航方式進(jìn)行獨(dú)立濾波, 對(duì)領(lǐng)航AUV的導(dǎo)航信息進(jìn)行逆向解算處理, 可將正向解算過(guò)程結(jié)束時(shí)刻的定位誤差修正到近似為0, 然后定位誤差反向遞增。圖8為正向解算與逆向解算相結(jié)合的領(lǐng)航AUV的定位誤差曲線, 結(jié)合上述2種解算方式, 最終可將領(lǐng)航AUV在水下航行過(guò)程中積累的定位誤差進(jìn)行修正, 使領(lǐng)航AUV的定位誤差得到有效收斂, 進(jìn)而提升多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)整體的定位性能。

圖6 領(lǐng)航AUV正向解算后的定位誤差

圖7 領(lǐng)航AUV逆向解算后的定位誤差

圖8 領(lǐng)航AUV正逆向結(jié)合解算后的定位誤差

4 結(jié)論

針對(duì)多AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)中領(lǐng)航AUV隨水下長(zhǎng)時(shí)航行引起定位誤差發(fā)散的問(wèn)題, 提出了一種基于SINS/DVL和SINS/DVL/GPS組合導(dǎo)航相結(jié)合的領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理方法。通過(guò)對(duì)領(lǐng)航AUV在水上和水下航行過(guò)程建立不同的濾波模式, 水下采用SINS/DVL組合導(dǎo)航方式對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行正向解算, 出水后采用SINS/DVL與SINS/DVL/GPS結(jié)合的方式進(jìn)行獨(dú)立濾波, 然后進(jìn)行逆向遞推, 逆向解算出領(lǐng)航AUV在水下的定位誤差。最后結(jié)合正向與逆向解算結(jié)果, 對(duì)正向解算的誤差結(jié)果進(jìn)行修正, 以提高領(lǐng)航AUV的定位誤差, 使得多AUV系統(tǒng)的定位性能得到提升, 并最終通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。該方法雖然對(duì)領(lǐng)航AUV的定位誤差有較為明顯的改善, 但仍存在如圖8所示的正向與逆向結(jié)合時(shí)的最佳交點(diǎn)選擇, 以及領(lǐng)航AUV出水后需要一定的GPS搜星時(shí)間, 無(wú)法立即獲取GPS信息等問(wèn)題。因此對(duì)所涉及的領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)的后處理方法需要開(kāi)展更多的研究。

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A Post-Processing Method of Navigation Data for Leader AUV Based on Backward Calculating

DONG Quan-wei, YUE Cai-qian, WANG Ao-bo, WANG Ting-ting

(China Academy of Aerospace and Aerodynamics, Beijing 100074, China)

Since the leader autonomous undersea vehicle(AUV) cannot receive the external information if the multi-AUV cooperative navigation system works under water for a long time and its localization error will gradually diverge and affect the localization performance of the overall system, a post-processing method based on integrated navigation of strap-down inertial navigation system(SINS)/Doppler velocity log(DVL) and SINS/DVL/global positioning system(GPS) is proposed. Adopting SINS/DVL integrated navigation, the leader AUV processes the navigation information forwardly and stores the navigation information sampled during the process when AUV maneuvers, and then it receives the GPS information after coming out of water and uses the two navigation methods of SINS/DVL and SINS/DVL/GPS for independent filtering. After filtering, the leader AUV’s localization error accumulated under water is processed inversely to correct the localization error of the leader AUV through forward and backward calculating, so as to improve the localization performance of the overall multi-AUV system. Moreover, the feasibility and validity of the proposed post-processing method is verified through simulation. This method can be applied to underwater terrain scanning, sea chart drawing and underwater exploration to further improve localization accuracy of the underwater data sampled by multi-AUV and enhance veracity and usefulness of the data.

autonomous undersea vehicle(AUV); integrated navigation; backward calculating; post-processing

TJ6; TN967.2

A

2096-3920(2020)04-0420-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.04.010

2019-12-11;

2020-01-05.

董權(quán)威(1991-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事水下航行器導(dǎo)航、控制技術(shù)等研究.

董權(quán)威, 岳才謙, 王奧博, 等. 基于逆向解算的領(lǐng)航AUV導(dǎo)航數(shù)據(jù)后處理方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(4): 420-427.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)