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原文传递水下运载器惯性/地形/地磁组合导航系统关键技术研究

论文题名：	水下运载器惯性/地形/地磁组合导航系统关键技术研究
关键词：	水下运载器;船舶航行;组合导航;联邦滤波
摘要：	水下导航技术是水下运载器研发过程中的核心技术之一。水下环境复杂多变，要使运载器能够自主、高效、安全的完成导航任务仍面临许多挑战。目前，水下运载器的导航设备大多以惯性导航系统为主，辅以全球定位系统、声学导航等设备，但在长期的应用过程中发现此类导航设备存在许多不足之处。因此，地球物理辅助导航技术成为一个重要研究方向，地球物理导航主要包括地形辅助导航、地磁辅助导航及重力辅助导航三类，虽然惯性/地形、惯性/地磁、惯性/重力的研究已比较常见，而运用多种信息融合的研究成果却鲜有报道。本文以水下运载器为研究对象，结合地形、地磁的特征，研究惯性/地形/地磁组合导航系统中的关键技术。　　本研究在原有特征参数的基础上，提出了以标准差与极差之比作为描述地块中相对起伏的组合参数。以模糊综合评价理论为基础，选取地形、地磁标准差、粗糙度、相关系数等特征参数作为评价指标集，以CRITIC法计算各指标权重，建立了基于地形/地磁数据的适配性分析模型，提出了先融合再评价及先评价再融合的两种分析方法，并证明了两种方法的可行性，同时指出上述存在的问题。针对模糊综合方法中出现的超模糊现象，提出基于投影寻踪方法的地形/地磁数据的适配性分析模型，并分别采用粒子群算法、差分进化算法及萤火算法优化目标函数，在选取全部特征参数作为指标集的情况下，讨论最佳投影方向的分布情况。并通过实验验证了该方法的可行性。针对水下运载器工作环境的特点，提出了惯性/地形/地磁组合导航方案。首先结合惯性、地形、地磁导航的原理，以惯性导航误差传播模型作为系统状态，以地形、地磁导航结果作为观测，建立惯性/地形/地磁集中滤波组合模型，相比于单纯的惯性/地形、惯性/地磁模型来说，集中滤波的稳定性更具优势，大部分的估计结果也更加理想，但当地形或地磁的匹配误差较大时，集中滤波的结果也随之变差。为使惯性/地形/地磁组合导航方案能达到最佳导航效果，提出了惯性/地形/地磁联邦组合导航方案。采用有重置联邦滤波器结构，将惯性/地形，惯性/地磁设为导航子系统，并分别采用标准卡尔曼滤波的联邦滤波器及Sage-Husa自适应卡尔曼滤波器进行实验仿真，证实自适应方法能更好的优化系统对环境的适应性。提出了基于惯性/地形/地磁基准图的先验导航信息的提取方法，并论证了基于地形/地磁适配性的观测噪声预测方法的有效性。Sage-Husa自适应滤波方法中，是利用预测残差的变化对系统观测噪声进行自适应调整，而当预测残差的变化不是完全由观测量引起时，该方法的有效性受到很大的限制，针对这一问题，提出了基于地形/地磁基准图适配性优化的Sage-Husa自适应滤波算法，利用基准图适配性数据库及统计得到的适配性与匹配误差关系，结合载体航迹位置序列，对下一位置观测噪声进行预测，该方法是直接对匹配误差进行估计，避免了传统Sage-Husa自适应滤波方法中的估计失准问题。针对组合导航系统中的故障检测问题，设计了惯性/地形/地磁联邦组合容错结构，以提高组合导航系统的灵活性和可靠性，并对该结构的性能进行了实验验证。
作者：	马妍
专业：	导航、制导与控制
导师：	郝燕玲
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文