[发明专利]基于SIR粒子滤波方法的低功耗地形辅助导航系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于SIR粒子滤波方法的低功耗地形辅助导航系统及方法，包括导航数据采集板块和导航数据处理板块；导航数据采集板块包括惯性导航传感器、深度计、高度计、数据总线，惯性导航传感器、深度计、高度计分别与数据总线相连，数据总线同时与导航数据处理板块相连，采集的数据通过数据总线传输到导航数据处理板块；导航数据处理板块包括连接的航位推算模块与粒子滤波模块，航位推算模块输出的航位推算数据经过滤波模块的滤波后形成最终的位置输出。航位推算模块与粒子滤波模块分别与数据总线相连。本发明利用SIR粒子滤波技术评估更新载体的位置，可以有效克服水流干扰造成的误差，并且可以适用于地图分辨率较小的地区，拓展应用范围。

技术领域

本发明涉及水下航行器自主导航领域，特别涉及一种基于SIR粒子滤波方法的地形辅助导航系统。

背景技术

目前，水下运载器常用的定位导航方式有GPS/INS组合定位与声学定位。但在常年有冰雪覆盖的北极地区，无法有效利用GPS，并且较厚的冰层不利于声学信标的布置。单独利用惯性传感器会引起无边界的误差累积。地形辅助导航仅利用距离传感器获取高度数据，即可实现一定精度的定位。粒子滤波技术可以解决非线性系统与非高斯观测的解算问题，是地形辅助导航系统中常用的方法。在地形辅助导航中，海流与地图分辨率是影响导航精度的两大因素，应建立有效的航迹推算模型，采用合理的滤波技术，有效克服海流与低分辨率地图的影响。

此外，随着对水下信息采集要求的提高，当代水下运载器要求可以在水下长时间连续工作，因此需要考虑功耗的限制，而传统导航系统中利用多波束声呐或多普勒声速仪会增加系统功耗，减小运载器的联系运行时间。基于单波束的高度数据进行导航，增加了导航的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SIR粒子滤波方法的低功耗地形辅助导航系统，其在低分辨率地图与单波束高度数据的情况下，可有效提升导航的精度；本发明基于建立的有效运动模型，合理选择海流造成的运动误差，克服海流造成的影响；利用双线性插值技术与系统重采样技术降低低分辨率地图造成的误差；该系统基于获取的单波束高度数据更新推算当前位置，可以有效节省能源，克服海流对导航的影响，提升水下运载器在水下联系工作的能力。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于粒子滤波方法的地形辅助导航系统，包含导航数据采集板块和导航数据处理板块；所述导航数据采集板块设有：用于提供目标载体的位置信息、运动信息和姿态信息的惯性导航传感器、用于提供目标载体的水下深度信息的深度计和用于提供载体距离海底的高度信息的高度计；所述导航数据处理板块设置有相互通信连接的航位推算模块和粒子滤波模块；惯性导航传感器、深度计和高度计中的一种或多种分别将各自输出的数据信息传输至所述航位推算模块和/或所述粒子滤波模块中；所述航位推算模块输出航位推算数据并经所述粒子滤波模块进行滤波，最终得到目标载体位置结果。

优选地，所述粒子滤波模块为SIR粒子滤波模块。

优选地，惯性导航传感器、深度计和高度计分别与数据总线相连，所述数据总线分别与导航数据处理板块中的航位推算模块和粒子滤波模块相连；惯性导航传感器、深度计和高度计分别将各自输出的数据信息通过所述数据总线传输到航位推算模块和粒子滤波模块中。

优选地，所述惯性导航传感器设置在所述目标载体上。

优选地，所述目标载体为水下运载器。

优选地，所述惯性导航传感器输出沿水下运载器侧向、水下运载器轴向的加速度，以及航向角，记作其中，水下运载器的侧向记为x轴方向，水下运载器的轴向记为y轴方向，分别表示沿水下运载器x轴与y轴的加速度，ψ表示航向角；所述深度计输出水下运载器的深度z，所述高度计输出水下运载器距离海底的高度h。

本发明进一步提供了一种基于如上文所述的基于粒子滤波方法的地形辅助导航系统的仿真方法，该方法包含以下步骤：