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基于紧组合的SINS/DVL/USBL导航算法

章彩霞 刘锡祥 黄永江 陈世杰 陶育杰

章彩霞, 刘锡祥, 黄永江, 等. 基于紧组合的SINS/DVL/USBL导航算法[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 847-855 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076
引用本文: 章彩霞, 刘锡祥, 黄永江, 等. 基于紧组合的SINS/DVL/USBL导航算法[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 847-855 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076
ZHANG Caixia, LIU Xixiang, HUANG Yongjiang, CHEN Shijie, TAO Yujie. SINS/DVL/USBL Navigation Algorithm Based on Tight Integration[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 847-855. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076
Citation: ZHANG Caixia, LIU Xixiang, HUANG Yongjiang, CHEN Shijie, TAO Yujie. SINS/DVL/USBL Navigation Algorithm Based on Tight Integration[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 847-855. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076

基于紧组合的SINS/DVL/USBL导航算法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51979041、61973079).
详细信息
    作者简介:

    章彩霞(1998-), 女, 在读硕士, 主要研究方向为导航技术

    通讯作者:

    刘锡祥(1976-), 男, 教授, 博导, 主要研究方向为惯性导航、组合导航与信息融合技术

  • 中图分类号: TJ630.32; U666.7

SINS/DVL/USBL Navigation Algorithm Based on Tight Integration

  • 摘要: 针对自主水下航行器在水下复杂环境下对于高精度、高可靠性的导航定位需求, 提出了一种捷联式惯导系统(SINS)/多普勒测速仪(DVL)/超短基线(USBL)定位系统紧组合导航算法, 构建了基于频移量测的SINS/DVL紧组合量测方程和基于相对测量信息量测的SINS/USBL紧组合量测方程, 通过集中卡尔曼滤波的方法, 对SINS、DVL和USBL的信息进行融合处理。针对水下复杂环境造成导航精度下降的问题, 充分考虑DVL和USBL的数据野值情况, 利用卡方检验法进行判断后对故障数据隔断处理, 实时更新量测方程维数, 保证系统精度。仿真验证可知, 该算法对比其他不同组合模型算法具有较高的定位精度, 对比传统的基于速度量测和相对位置量测的SINS/DVL/USBL集中滤波方法精度可提升约23%; 在DVL数据失效时, 定位误差较正常情况仅增长5.2%; 在USBL数据失效时, 定位误差较正常情况增长165.4%, 鲁棒性和稳定性显著优于基于其他量测的SINS/DVL/USBL的集中滤波导航算法, 可实现高精度和高可靠性的水下导航定位。

     

  • 图  1  SINS/DVL/USBL组合导航系统结构图

    Figure  1.  SINS/DVL/USBL integrated navigation system structrue

    图  2  DVL十字型四波束Janus配置

    Figure  2.  DVL cross-type four-beam Janus configuration

    图  3  仿真轨迹

    Figure  3.  Simulation track

    图  4  东向位置误差

    Figure  4.  East position error

    图  5  北向位置误差

    Figure  5.  North position error

    图  6  水平定位误差

    Figure  6.  Level position error

    图  7  DVL失效数据情况

    Figure  7.  DVL failure data situation

    图  8  USBL失效数据情况

    Figure  8.  USBL failure data situation

    图  9  DVL数据失效情况下的水平定位误差

    Figure  9.  Level positioning error in case of DVL data failure

    图  10  USBL数据失效情况下的水平定位误差

    Figure  10.  Level positioning error in case of USBL data failure

    表  1  传感器误差参数

    Table  1.   The error parameters of sensors

    设备参数误差
    SINS陀螺仪零漂/((°)/h)0.02
    SINS陀螺仪随机游走/$({ {({}^\circ)}/{\sqrt {\text{h} } } })$0.005
    SINS加速度计零偏/μg50
    SINS加速度计游走/$({ { {\text{μg} } } / {\sqrt { {\rm{Hz} } } } })$50
    DVL比例因子误差/%0.5
    DVL安装角误差/(°)$[{0.3 }\;\;\;{ - 0.2 }\;\;\;{0.6 }]$
    USBL方位角、高度角误差/(°)$0.1$、$0.1$
    USBL斜距误差系数/%0.5
    USBL安装角误差/(°)$[{0.5 }\;\;\;{ - 0.5 }\;\;\;{ { {0.5}} } ]$
    PS常值偏置/m0.05
    PS随机偏置/m0.01
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    表  2  不同组合导航方法水平定位误差RMSE对比

    Table  2.   Comparison of level positioning error RMSE

    组合导航方法水平定位误差RMSE/m
    $S {D_T}$3.224 2
    $S {U_T}$1.852 9
    $S {D_L}{U_T}$0.579 4
    $S {D_T}{U_T}$0.446 5
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    表  3  数据失效情况下不同量测的集中滤波方法水平定位误差RMSE

    Table  3.   Level positioning error RMSE of the concentrated filter methods based on different measurements in case of data invalidation

    数据情况$S {D_L}{U_T}$定位
    误差RMSE/m
    $S {D_T}{U_T}$定位
    误差RMSE/m
    数据正常0.57940.4465
    DVL数据异常0.80910.4698
    USBL数据异常1.67101.1848
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-18
  • 修回日期:  2023-01-13
  • 录用日期:  2023-02-14
  • 网络出版日期:  2023-12-06

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