[发明专利]基于虚拟速度量测的水下无人潜航器测流DVL/SINS组合导航方法

说明书

基于虚拟速度量测的水下无人潜航器测流DVL/SINS组合导航方法，首先，获取安装在水下无人潜航器上的多普勒测速仪的速度量测数据以及惯性测量元件所输出的陀螺仪和加速度计的输出数据；然后，利用DVL的输出、IMU的输出以及SINS捷联解算获得的历史速度数据构建一组虚拟速度量测，该虚拟速度量测为对地速度；最终，将所构建的虚拟速度量测与IMU、DVL传感器的输出一同输入至卡尔曼滤波器中，完成多传感器融合后的对水下无人潜航器的定位与导航。本发明算法有效解决了因DVL探测范围受限导致中层水域工作的水下无人潜航器无法获得对地速度的问题，与普通的卡尔曼滤波组合导航算法相比，其速度估计精度更高，因而对定位精度有较大的提升。

技术领域

本发明属于水下无人潜航器组合导航领域，尤其涉及SINS系统与DVL系统的组合导航，适用于在中层水域工作的水下无人潜航器，在GPS拒止条件下，完成高精度的定位与导航任务。

背景技术

水下无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的研究一直受到广泛的关注，AUV在众多水下的作业任务中都发挥着很重要的作用。AUV的工作效率受到导航和定位精度的影响，对于水下工作的AUV，其卫星信号收到遮挡，无法利用卫星进行导航与定位。目前，较为常见的导航方式包括基于惯性基传感器的航位推算式导航，基于声学的水声测距定位以及基于地球物理学的匹配定位。其中，基于水声测距的定位需要提前布置声学阵或信标，而基于地球物理学的匹配定位需要提前获得水下地形和地磁等相关数据库信息，这使得这两种导航方式的使用有诸多限制。对于一个未知的水下环境，这两种方式不能使用。

惯性导航(StrapdownInertialnavigationsystem，SINS)是一种基于加速度计和陀螺仪输出的数据进行积分运算，进而获得系统的姿态、位置信息的技术，其定位原理无需外界信号，具有隐蔽性强、短期精度高等特点，但是其仪表误差会随积分累积，在长时间的水下作业中，无法保证其定位精度。多普勒测速仪(Doppler velocity log,DVL)是一种利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的速度的传感器，可以安装在载体底部，提供较高精度的速度量测。目前，SINS/DVL组合导航系统是一种主流的组合导航方案并被广泛应用。然而，多普勒测速仪的精度与最大深度相关，其发射频率越高，精度就越高，但是其可以穿透的最大深度会变低，当超过其最大深度限制时，DVL无法获得对地速度，只能获得其对水层速度。此时，普通的SINS/DVL算法精度会受到影响。

专利文献(CN112097763A)利用卡尔曼滤波器实现了IMU/DVL/磁力计的水下组合导航方案，通过卡尔曼滤波的方案使得系统的定位精度得到提高。但是，该专利中使用的DVL速度为载体对地速度，没有考虑洋流对于DVL量测输出值的影响。当水下运载体工作在中层水域时，无法获得准确的载体对地速度。此时若不对未知洋流进行同时的估计和处理，定位效果将大幅下降。专利文献(CN110567454A)利用DVL所获得的波束信息作为量测量进行SINS/DVL紧组合卡尔曼滤波组合导航，在其中考虑了波束信息受洋流影响时的处理方法。但是紧组合中需要的DVL波束信息不易获取。本发明所采用的基于虚拟速度量测的水下无人潜航器测流DVL/SINS组合导航方法，在使用相同传感器信息的前提下，对DVL和IMU的速度变化信息进行了额外的提取与融合操作，利用洋流速度相对稳定特性来构建一个新的虚拟速度，在构建的虚拟速度中，耦合的未知洋流速度被暂时屏蔽，来实现速度误差与洋流速度的解耦，从而提高DVL量测值受到洋流干扰的时候组合导航的整体定位精度。本发明在实施过程中，只需要获取解算完成后的DVL速度量测，且不需要其它额外的传感器，计算难度低，与其他方法相比具有较大优势。

发明内容