基于GPS/BDS組合的淺海AUV定位性能分析

姜少杰,王憲,劉海敵,夏長春

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0 引 言

北斗衛星導航系統(BDS)是由中國自行研制的且可以與美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯導航定位系統(GLONASS)和歐洲的伽利略導航定位系統(Galileo)兼容共用的導航定位系統。隨著BDS定位系統的全球范圍內地基系統的快速建設以及在航空、交通、通信等工程領域方面的推廣利用,BDS定位系統的高精度定位逐漸滿足于海洋工程機械測量的應用要求[2]。

現有定位系統在工程方面上的應用研究大多是基于GPS或BDS單系統,對GPS/BDS雙模定位系統的工程應用研究還極為有限。王迪[3]等介紹了一種高精度導航定位系統在有軌電車上的應用,該系統基于GPS/BDS雙模導航定位技術,通過對電車軌跡推算/RFID來輔助定位,進一步提高有軌電車的定位精度;辛德奎[4]等研究了一種應用在農田作業車上的定位系統,該系統基于GPS/BDS的雙模導航定位技術,并通過單片機來解析GPS/BDS雙模定位模塊接收的數據定位信號,從而得到田間作業車的運行地理位置及運行作業狀態;陳志強[5]設計一種基于GPS/BDS雙模定位的醫院信息服務器時間同步系統,該系統平臺通過GPS/BDS衛星通信同步醫院內各信息系統,解決系統網絡時間服務器不同步的問題。而隨著BDS全球導航定位系統建設的逐漸完善和工程應用領域的不斷推廣,導航信息資源不斷的增多,高精度、多衛星系統組合導航定位將是工程應用的發展趨勢。

目前,還少有學者研究分析GPS/BDS雙模組合定位系統在水下機器人上的應用。因此,本文針對水下機器人在淺海工作時定位誤差大的問題,重點介紹一種基于GPS/BDS雙模組合定位技術的淺海水下機器人高精度定位系統,為了驗證GPS/BDS雙模導航定位系統的定位性能,以及進一步提高雙模定位系統的定位精度,本文設置了GPS和BDS單模定位系統作比較,并提出利用中值濾波算法和卡爾曼濾波算法相結合的數據處理方式,通過對雙模定位系統測試數據的濾波處理,得出雙模定位系統的相對定位性能。經過比較分析,總結出的結論具有一定的參考價值。

1 定位方案設計

該系統定位方案是基于水下GPS高新定位導航系統技術為原型[6],在此原型的基礎上,采用GPS和BDS組合的定位技術,由GPS/BDS衛星、差分GPS/BDS基準站、GPS/BDS定位浮標、水下收發機、水上無線電通訊設備、水下水聲通訊設備及數據處理與控制中心構成,如圖1所示。海面大地測量基準由GPS/BDS衛星、GPS/BDS定位浮標和差分GPS/BDS基準站組成,該基準也作為水面測量基線。

當水下機器人在水中運行時,數據控制中心向水下收發機發送定位請求信號后,收發機激活向GPS/BDS浮標發送定位信號。浮標接收到定位信號后,對定位信號進行時延估計,得出結果數據,將獲取的結果定位數據、GPS/BDS定位數據和浮標姿態校準數據等信息進行轉換調制,傳送到數據控制中心。數據控制中心通過對GPS/BDS基準站上的差分信號和以上調制轉換的定位信息的融合處理,得出水下機器人的原始定位數據。將原始定位數據進行中值濾波算法,消除定位噪音誤差,之后進行卡爾曼濾波算法處理,計算出水下機器人的地理定位信息,通過遠程監控,在大地測量坐標系上實時地顯示水下機器人運動地理坐標信息。

2 定位系統模型

當水下機器人在水下前進時,其運動可以近似看作是在二維平面上的運動,如圖1所示,因此,水下機器人從A點到達B點的運動模型為

(1)

式中: 點A為水下機器人的初始位置(x0,y0),可由雙模定位模塊測出;V0為水下機器人的初始前進速度;θ0為水下機器人的初始方位角。當水下機器人由A點前進到B點時,GPS/BDS定位模塊可以測出此時點B的相對位置(x1,y1),同時,也可以通過運動模型推斷出B點的相對位置,兩個數據經過相互修正得出水下機器人的位置,提高系統整體的定位精度。

2.1.3 紅色文獻資源建設應加強與相關部門的聯合。高校圖書館在建立紅色文獻資源時應打破條塊分割的界限，積極尋求系統內外相關單位或部門的合作，開展紅色文獻資源的共建共享。這樣既能實現優勢互補，還能避免重復建設。

基于水下機器人的運動模型如圖2所示,構建水下機器人的系統模型:

x(k+1)=f(x(k),μ(k),ω(k))=

(2)

式中: 狀態變量x=[xd,yd,θd]T可以由GPS/BDS定位模塊測量得到; Δd(k)為k時刻到k+1時刻水下機器人前進的距離;θ(k)為k時刻的運動方向; Δθ(k)為k時刻到k+1時刻水下機器人運行前進的轉彎角度; 其中ω為定位系統噪聲,可認為在零均值狀態下的高斯白噪聲[7]。

3 定位數據處理

對于水下機器人定位數據的處理,提出了利用中值濾波算法和卡爾曼濾波算法組合的數據處理方法。該組合算法利用中值濾波消除定位信號中的椒鹽噪聲,利用卡爾曼濾波使定位信號變得平滑,以此提高水下機器人GPS/BDS雙模數據輸出信號的定位精度。

3.1 中值濾波算法

中值濾波是一種基于排序統計理論的非線性信號處理方法,它通過把數字序列中的一點值替換為該點一個鄰域中各點值的中值,消除孤立噪聲點,有效抑制噪聲信號[8]。

對由差分偽距原理計算出的定位結果數據進行中值濾波處理,將中值濾波窗口長度設置為n=2k或n=2k+1,觀測定位信號數值個數為N,濾波數據的輸出為U(t1),U(t2),…,U(tn)。當濾波窗口在觀測定位數據序列上移動時,該算法的標準中值濾波輸出為

median[U(ti)]=

(3)

式中:U(tk)為在中值濾波窗口2k(或2k+1)個觀測數據值中的第k個最小或最大的定位數值,濾波器將最大或最小數值的噪音點去除,使輸出定位數據曲線變得平緩。

3.2 卡爾曼濾波算法

卡爾曼濾波算法是一種基于遞推線性最小方差估計的信號處理方法,它采用遞推估計計算出連續測量數據[9]。結合定位系統模型,假設在tk時刻,定位系統的數據噪聲序列Wk-1驅動被估計狀態Xk,經過算法離散化后,系統狀態方程為

(4)

式中:Φk,k-1為從tk-1時刻到tk時刻的轉移矩陣;Γk-1為噪聲矩陣;Hk為觀測矩陣;Wk為噪聲序列,Vk為觀測噪聲序列。Wk和Vk為方差為零的白噪聲序列[10]。

如果被估計狀態量Xk滿足狀態方程,觀測量Zk滿足觀測方程,推算出離散型的卡爾曼濾波基本方程為

(5)

定位系統的數據處理流程如圖3所示,首先數據接收機分別接收GPS和BDS導航定位信號,通過A/D模數轉換器處理為數字信號,成為定位的原始觀測數據。并通過該原始觀測數據計算出定位結果數據。其次對定位結果數據進行中值濾波算法處理,去除定位信號中的椒鹽噪聲,經過中值濾波算法處理后的定位數據之后,利用卡爾曼濾波進行定位數據處理,使定位信號變得平滑,通過對接收信號數據的濾波處理,可以實現對水下機器人的路徑軌線的實時定位。

4 實驗的測試與結果

4.1 實驗的測試

本次測試采用基于中科微電子有限公司研發的第四代低功耗GNSS SOC單芯片的ATGM332D-5N31系列的雙模導航定位模塊,該模塊可以實現GPS/BDS單模系統定位,以及GPS/BDS/GLONASS/Galileo的任意模式組合的多系統導航定位,該模塊的成本低廉,功耗較低,并具有高靈敏度的特點。

如圖4所示,本實驗選擇上海海事大學校內一處較為開闊的人工湖作為實驗區域,將搭載GPS/BDS雙定位系統硬件平臺的AUV放至實驗區域,控制AUV在實驗區域內行駛,通過GPS/BDS雙模定位模塊接受數據進行測試,數據采樣時間為500 s,采樣頻率為0.1 Hz,通過MATLAB軟件對定位信號進行算法濾波處理和數據分析。

4.2 測試結果

為了證明GPS/BDS雙模定位系統的定位精度高的優點,繪制GPS/BDS單模和雙模定位系統的原始測試值曲線與真實數據曲線作對比,圖5中點線為真實數據曲線,從圖中可以明顯地看出GPS/BDS雙模定位系統的測試值曲線更加接近于真實數據曲線,其定位精度明顯優于GPS/BDS單模定位系統。

對GPS/BDS雙模定位系統的原始測試數據進行濾波處理,圖6中點線表示真實數據曲線,虛線表示雙模定位的原始測量值曲線,實線表示經過組合算法處理之后的定位數據估計值,從圖中可以看出經過濾波處理后數據更接近于真實路線數據,濾波處理后的雙模定位系統的定位精度得到了很大提高。

5 結論語

1) 在AUV導航定位研究中,提出了基于水下GPS高新定位系統技術為原型的GPS/BDS雙模水下定位系統,經過測試可知,雙模定位系統的定位精度要比單模定位系統的定位精度高。

2) 為了提高雙模導航定位系統的精度,提出了利用中值濾波算法和卡爾曼濾波算法組合的數據處理方法,該組合算法利用中值濾波消除定位信號中的椒鹽噪聲,利用卡爾曼濾波使定位信號變得平滑,通過測試結果可知,經過濾波算法處理后的雙模定位系統定位精度得到明顯的提高。

3) 隨著BDS全球導航定位系統建設的逐漸完善和工程應用領域的不斷推廣,導航信息資源不斷的增多,高精度、多衛星系統組合導航定位將是水下工程應用的發展趨勢。