论文摘要
由多普勒测速仪(DVL)、惯性导航系统和卡尔曼滤波器所构成的组合导航系统是一种比较理想的水下自主导航系统。本文针对INS/DVL组合导航系统,根据DVL的工作特点与误差特性,着重研究了水下INS/DVL组合导航与动基快速对准的自适应滤波算法及其工程实现方法。论文主要研究工作如下:(1)提出了一种考虑DVL测速误差零偏跳变的模糊自适应滤波算法,用于水下INS/DVL组合导航。针对DVL测速误差存在零偏跳变的现象,引入了零偏跳变自适应估计,实现了DVL测速误差零偏自适应在线补偿,克服了已有模糊自适应滤波算法未考虑观测误差均值跳变的问题。通过实时监测滤波残差的均值变化以及滤波残差方差与理论滤波残差方差的不一致程度,利用隶属度函数在线修正观测噪声的统计特性参数,同时进行DVL测速奇异值的剔除,提高了水下INS/DVL组合导航算法的精度和适应性。针对已有模糊自适应滤波算法对残差方差变化过于敏感的问题,提出采用残差方差实测值与理论值之差作为模糊系统的输入,从而克服了此类问题。(2)分析比较了惯性系0bi、地球固联坐标系0n、导航系n下的回溯精对准算法,详细分析了三种坐标系下的回溯精对准算法各自的特点和各自的执行过程。利用跑船动基座对准实验验证了DVL测速准确条件下,三种坐标系下的回溯精对准算法均能达到相同的对准精度,三种坐标系下的回溯精对准算法本质相同,但算法实现的复杂度不同。综合比较,从算法编程实现的角度,在地球固联坐标系0n下进行回溯对准更简洁。(3)在回溯对准算法基础上,针对DVL测速误差大、出现奇异值的情况,提出了水下动基快速对准模糊自适应滤波算法,该算法根据观测数据带来的信息,在线修正观测噪声矩阵,对观测噪声方差进行匹配,对于DVL测速奇异值亦可进行剔除。最后利用跑船动基座对准实验,针对DVL测速准确及误差较大出现奇异值两种情况,分别对实验数据进行分析,结果表明模糊自适应回溯滤波算法在两种情况下均能保证对准的精度。对比分析常规卡尔曼滤波算法,DVL测速误差较大出现奇异值时,对准精度明显受到影响。(4)以Vx Works 5.5 for Power PC为开发平台,构建了INS/DVL组合导航系统,设计实现了实时多任务的组合导航系统软件。规划了导航系统的总体设计,详细分析了导航系统软件的工作模式和工作流程。按照导航软件的具体功能,进行了多任务划分,并设计了两种多任务同步方案。最后利用跑船实验数据,对Vx Works环境下的INS/DVL组合导航算法程序进行了离线测试,实验结果证明了其工程实用性。