基于惯导及声学导航的自主水下航行器新型组合导航技术研究

As human will be getting more and more material resources and living space from seas, underwater vehicle as a small carrier with a visual and perceptual system can replace or assiste people to complete some underwater exploration and reconnaissance missions.Integrated navigation system with Inertial navigation system as the core, supplemented by other navigation technology has become an important research direction of current underwater vehicle navigation.The subject studies integrated navigation system with inertial navigation, Doppler sonar and acoustic positioning. The study includes the key technologies of the precision fiber optic strapdown inertial navigation system, underwater vehicle position measurement technologies based on distributed underwater multi-node benchmark,data fusion technology and system reconfiguration of underwater vehicle integrated navigation system.Some key technical issues are also studied, including acoustic positioning correction technology based on marine acoustic environment, depth combination technology of acoustic aided position measurement and local track of inertial navigation.Finally, by constructing the semi-physical test platform and field experiments, simulation and experimental can be verified.The technology used in this project is a new way to solve Underwater Vehicle precise underwater navigation.It can provide theoretical and technical support for Chinese developing a high-precision underwater acoustic integrated navigation system .

随着人类将越来越多地向海洋获取物质资源和生存空间，水下航行器作为一种具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式的小型载体可以代替或辅助人去完成某些水下作业勘探和侦察任务。以惯性导航系统为核心，辅以其它导航技术的组合导航系统的研究已成为当前水下航行器导航的重要研究方向。本项目针对惯性导航系统、多普勒声纳测速和声学定位的新型组合导航技术进行研究，研究内容包括高精度光纤捷联惯性导航系统关键技术、基于分布式水下多节点基准的水下航行器位置测量技术、水下航行器组合导航系统数据融合和系统重构技术。对其中的关键技术问题展开研究，包括基于海洋声学环境信息的水声定位修正技术、声学辅助测量定位与惯性导航局部航迹的深度组合技术等，最后通过构建半物理试验平台和外场试验进行仿真和试验验证。本项目所采用的技术是解决水下航行器精确水下导航的一条新途径，为我国研制出惯性及水下声学定位的高精度组合导航系统提供理论和技术支持。

由于有效开发和利用海洋资源已经日益成为一项改变世界的前沿领域，因此对海洋技术的研究面临着一场新技术革命，而水下航行器无疑是水下运载作业必不可缺的装备，其精确的水下目标导航与定位是为顺利完成水下作业任务的基础与前提。本项目为满足水下航行器自主导航和隐蔽执行任务的要求，以捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）为基础，以水下声学定位系统为辅，完成精确的组合导航与定位。主要针对LBL定位系统、USBL定位系统、TDOA互相关处理技术、LBL基阵阵型选取、水下声线修正，水下声源标定、基于虚拟长基线的迭代定位技术等方面开展详细研究，使用水下声学设备提供的信息对水下声速声线、多普勒效应、多径效应等进行融合、补偿和校正，采用水下声学定位的方式来更新SINS的位置累积误差，实现高精度、远距离持续航行。通过四年的研究和实验验证，首先针对捷联惯导关键技术进行了大量研究，包括惯性器件误差建模、降噪技术、圆锥算法与螺旋算法、对准技术等，为之后的组合导航打下了坚实的基础；成功使用Bellhop软件构建了水下声信号传播信道环境，对LBL和USBL等水下声学定位系统辅助惯导的组合定位导航系统进行了仿真，结果表明该系统能够有效修正惯导误差，提高定位精度，协助水下航行器完成高效长时的定位与导航，并使用声速剖面仪测量的实际湖中垂直速度数据进行了半物理仿真，对TDOA互相关处理技术、水下声速修正技术、水下声源标定技术进行了验证，均对提高定位精度以及修正位置误差等进行了有效的改进，同时也创新性地提出了虚拟基线以及迭代修正等新想法。综上所述，该课题达到了预期目标，为解决水下航行器精确水下导航提供了新的途径。