一種組合式水下導航定位方法研究

【摘要】由于水下復雜的環境，單一導航系統有著很大的局限性，對現代導航與定位技術的分析，基于技術實現難度和成本價格的考量，采用浮式中繼站的方法，將GPS定位與慣性導航技術結合在一起，優化傳統的水下導航方式，構建一種新型水下組合導航和定位方案，盡可能使單一的導航和定位系統充分發揮本身的優點，經過仿真測試，達到水下準確定位與導航的目的。

【關鍵詞】水下導航；組合式水下定位；浮式中繼站

1、組合式導航原理

本組合式導航系統采用慣性系統以外的輔助導航信息源（GPS導航技術）以提高導航的精度。整體采用GPS與捷聯式導航相結合的方式，為最大效率發揮浮式中繼站的優點，使導航距離盡量縮小（僅限于水下部分），水面上探測器和浮式中繼站采用GPS導航，待到探測器到達指定工作區域將要潛到水下時，捷聯式慣性導航啟動，同時探測器與浮式中繼站的位置也進行初始化。通過將捷聯式慣導輸出的信號與GPS相同量的獨立值進行比較，利用最優控制理論和卡爾曼濾波組合的濾波器處理信號和高斯白噪聲，可以得出系統誤差的最小值，確定修正量，從而將兩種導航方式有機地結合在一起實現組合式導航。

2、導航方案設計

2.1 水面導航

對于水面的導航只需要采用現在成熟的GPS導航技術便可解決，為此本文在浮式中繼站上搭載GPS模塊，然后通過定位獲取準確的浮式中繼站的位置A（x，y，z）。對于探測器的導航，本文采用捷聯式慣性導航，在探測器上搭載陀螺儀和加速度計等傳感器進行探測器的位置和姿態的解算。

2.2 GPS/INS（捷聯式慣性導航）組合導航整合算法

組合導航算法中，水面浮式中繼站的位置信息可以由GPS模塊導出位置信息G（X，Y，Z），對慣性導航的探測器來說，需要探測器的各向的加速度分量，在本文中由于探測器中安裝有水壓力傳感器，可以在得出水壓力傳感器數據經過微型計算機處理得出探測器的水下的高度H，所以只對探測器加速度的a1（前后）、a2（左右）分量進行采集即可算出探測器的x軸和y軸的距離，進而可以得到探測器的理論位置t：，x軸位移為：

3、系統誤差模型建立

本文對系統存在的各種誤差進行了研究和分析，為了獲得更為準確的數據，實現精確導航，需要對這些誤差進行補償，補償的方法有動態誤差補償、常值偏差測定等。對于GPS誤差，采用更為精確的差分GPS（DGPS）定位，仍有的誤差用標記；對于初始值誤差采用的是常值測定的方法標記為；對于水下慣性導航出現的誤差，誤差模型已經在式2-4中給出，標記為；對于水流影響的探測器的位置標記為T2；則系統的誤差方程為：

4、導航仿真測試

4.1 仿真實驗

根據導航算法和誤差分析，對導航的真實情況進行matlab仿真測試。

4.2 仿真條件

在本次仿真過程中，本文針對直接獲取的量進行賦值，表達出相應關系式，本次仿真實驗中，由于加速度是不斷變化的，所以要對其采樣采樣時間間隔為1s，對a1、a2分別取40次值，并存放在a1的集合中，

a1={0， 0.05，0.18，0.35，0.5，0.45，0.13，0.06，0…-0.07，-0.15，-0.16，-0.22，-0.13，-0.04，0， }，

a2={0.0，0.02，0.1，0.13，0.25，0.17，0.05，0.02，0…-0.08，-0.15，-0.22，-0.07，-0.02，0}；

對于a1的取值，本次仿真實驗是根據實際實驗中的航行標準，探測器先做加速運動，當速度達到一定值后，做勻速運動，最后階段在達到指定位置前做減速運動，直至速度為0。最后在實際中a1和a2的值由傳感器具體給出。GPS定位的初始坐標為本文實驗場地的坐標G（30036’16’’N，114021’10’’E），誤差精度為0.3-3m。

在有水流漂移的影響中，本次仿真是的數據存取是在一定水深條件下進行的，實際中探測器和浮式中繼站的距離由超聲波測距系統給出，所以兩者取值得出疊加變量S，S在式（2-22）中求得，賦值是為s=[0，0，0.22，0.5，0.8，1.2，2.7，4.8，6.6：2：43.1，43.4，45.4，46.6，47.6，48.2，49.3，50.5，51.8，52.1，53.3，54.4，55.4，56，57.8]；

4.3 仿真測試結果

先不考慮GPS定位精度和水流漂移的影響，利用仿真條件探測器進行定位導航仿真的結果比較平穩上升為藍色軌跡

同理，根據4.2水流中的仿真條件可以得出水流飄移對探測器的位置影響，仿真結果有所波動如紅色軌跡所示。

在實際應用中，GPS定位和浮式中繼站的漂移，都會對探測器的定位產生影響，所以對浮式中繼站的定位影響需要考慮。可以得出的是GPS定位精度直接影響到水下探測器的定位精度，兩者在類型上是相等的，但是探測器還受到其他因素的影響，所以理論上精度會比GPS的定位精度要小。

參考文獻：

[1]宋振華.水下機器人自主導航系統的研究[D].上海交通大學，2007.

[2]楊峻巍. 水下航行器導航及數據融合技術研究[D]哈爾濱： 哈爾濱工程大學，2012.