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基于TCN-Attention的SINS/DVL松组合导航方法研究

王国祥 韩星程 高胜文 王玲

王国祥, 韩星程, 高胜文, 等. 基于TCN-Attention的SINS/DVL松组合导航方法研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047
引用本文: 王国祥, 韩星程, 高胜文, 等. 基于TCN-Attention的SINS/DVL松组合导航方法研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047
WANG Guoxiang, HAN Xingcheng, GAO Shengwen, WANG Ling. A TCN-Attention-Based Pseudo-Velocity Measurement Generation Method for Loosely Coupled SINS/DVL Integrated Navigation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047
Citation: WANG Guoxiang, HAN Xingcheng, GAO Shengwen, WANG Ling. A TCN-Attention-Based Pseudo-Velocity Measurement Generation Method for Loosely Coupled SINS/DVL Integrated Navigation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047

基于TCN-Attention的SINS/DVL松组合导航方法研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047
基金项目: 国家自然科学青年基金项目资助(62203405).
详细信息
    作者简介:

    王国祥(2003-), 男, 硕士在读, 主要研究方向为水下组合导航

    通讯作者:

    韩星程(1989-), 男, 副教授, 主要研究方向为水下目标探测与识别、水声信号处理、电路系统设计等.

  • 中图分类号: U666.1; TP183

A TCN-Attention-Based Pseudo-Velocity Measurement Generation Method for Loosely Coupled SINS/DVL Integrated Navigation

  • 摘要: 针对自主水下航行器在深水或复杂底质环境下因多普勒计程仪(DVL)不可用而导致SINS/DVL松组合导航精度下降的问题, 提出一种基于时间卷积网络与注意力机制(TCN-Attention)的伪DVL速度量测生成方法。该方法以惯性测量单元(IMU)的角速度、比力以及惯导解算得到的姿态、位置和速度信息构成时序输入, 在DVL可用阶段利用DVL速度构建监督样本并离线训练网络, 在DVL不可用阶段输出伪速度量测并参与扩展卡尔曼滤波(EKF)更新, 以抑制惯导误差累积。模型采用因果空洞卷积提取时序特征, 并引入注意力机制增强对转弯、加减速等关键动态片段的表征能力。基于16组轨迹数据的仿真结果表明, 与时间卷积网络(TCN)和门控循环单元注意力模型(GRU-Attention)相比, 所提方法在东、北向速度误差及绝对轨迹误差等指标上均取得更优结果, 重建航迹更接近真实轨迹, 表明该方法在DVL持续失效场景下具有较好的有效性与鲁棒性。

     

  • 图  1  SINS/DVL组合导航系统原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of SINS/DVL integrated navigation system

    图  2  时间卷积神经网络

    Figure  2.  Temporal convolutional neural network

    图  3  因果扩张卷积网络

    Figure  3.  Causal dilated convolutional network

    图  4  TCN-Attention伪DVL速度量测生成流程图

    Figure  4.  Flowchart of Pseudo-DVL velocity measurement generation based on the TCN-Attention model

    图  5  TCN-Attention辅助组合导航训练阶段原理图

    Figure  5.  Schematic diagram of TCN-Attention-assisted integrated navigation in the training phase

    图  6  TCN-Attention辅助导航预测阶段原理图

    Figure  6.  Schematic Diagram of TCN-Attention-Assisted Integrated Navigation in the Prediction Phase

    图  7  测试任务轨迹图

    Figure  7.  Trajectory of the test mission

    图  8  东向速度误差和北向速度误差曲线

    Figure  8.  Curves of east velocity error and north velocity error

    图  9  3个深度学习模型的东向速度误差MAE与RMSE

    Figure  9.  MAE and RMSE of east velocity error for three deep learning models

    图  10  3个深度学习模型的北向速度误差MAE与RMSE

    Figure  10.  MAE and RMSE of north velocity error for three deep learning models

    图  11  航位预测轨迹图

    Figure  11.  Dead reckoning prediction trajectory

    表  1  TCN-Attention网络关键参数表

    Table  1.   Key parameters of the TCN-Attention model

    参数项取值
    单时刻输入维度13
    时间窗口长度20
    输入张量维度$ {\mathbb{R}}^{20\times 13} $
    标准化方法Z-score
    注意力嵌入位置TCN输出后
    输出维度2
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    表  2  SINS/DVL系统关键传感器性能指标

    Table  2.   Key sensor performance indicators of the SINS/DVL system

    传感器性能指标
    IMU测量转速(陀螺)/((°)/s)$ \pm 200 $
    测量加速度/(m/s²)±15g
    更新频率/Hz200
    常值漂移转速(陀螺)/((°)/h)$ \lt 0.02 $
    常值漂移加速度/(m/s²)$ \lt 50\times {10}^{-6}g $
    白噪声标准差(陀螺)/((°)/s)$ 0.002  $
    白噪声标准差(加速度)/(m/s²)0.002
    DVL速度精度/(m/s)±(0.5%v+0.005)
    速度量程/(m/s)−5.14~10.28
    更新频率/Hz1
    工作频率/kHz300
    测速随机噪声标准差/(m/s)0.005
    注: v为DVL速度测量值, 单位为m/s。
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    表  3  东向速度误差评价指标

    Table  3.   Evaluation index of east velocity error m/s

    指标 任务编号 MLP TCN GRU-A TCN-A
    MAE 任务1 0.044 6 0.038 2 0.032 3 0.028 4
    任务2 0.042 3 0.035 8 0.030 8 0.027 2
    任务3 0.023 1 0.017 3 0.013 4 0.011 8
    任务4 0.028 2 0.024 1 0.021 6 0.019 5
    RMSE 任务1 0.061 7 0.046 5 0.036 9 0.031 6
    任务2 0.057 8 0.044 0 0.035 4 0.030 2
    任务3 0.025 9 0.019 4 0.015 6 0.013 7
    任务4 0.030 5 0.026 2 0.023 8 0.021 4
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    表  4  北向速度误差评价指标

    Table  4.   Evaluation index of north velocity error m/s

    指标 任务编号 MLP TCN GRU-A TCN-A
    MAE 任务1 0.051 3 0.037 4 0.029 7 0.027 2
    任务2 0.041 9 0.034 6 0.029 9 0.026 8
    任务3 0.021 4 0.016 9 0.013 6 0.012 1
    任务4 0.027 8 0.024 5 0.022 3 0.019 9
    RMSE 任务1 0.063 0 0.045 2 0.034 8 0.030 9
    任务2 0.053 7 0.042 4 0.034 6 0.029 5
    任务3 0.026 5 0.019 1 0.015 4 0.014 0
    任务4 0.032 4 0.026 8 0.023 2 0.022 1
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    表  5  4个测试任务各方案绝对轨迹误差

    Table  5.   ATEs of each solution for the four test tasks m

    任务编号 仅SINS MLP TCN GRU-A TCN-A
    任务1 121.3746 3.828 7 3.424 6 3.048 3 2.885 7
    任务2 101.7428 3.318 5 3.078 2 2.869 5 2.631 8
    任务3 22.532 9 1.204 1 1.052 1 0.875 2 0.751 6
    任务4 40.485 2 1.816 8 1.642 5 1.492 8 1.305 5
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-05
  • 修回日期:  2026-04-17
  • 录用日期:  2026-04-29
  • 网络出版日期:  2026-07-08
图(11) / 表(5)

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