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长基线水声导航解算方法研究及FPGA实现
| 论文题名： | 长基线水声导航解算方法研究及FPGA实现 |
| 关键词： | 长基线水声导航;现场可编程门阵列;硬件平台;功能模块 |
| 摘要： | 导航技术是制约UUV应用的关键因素之一，目前成熟的惯性导航系统不需外部支持、短时间内导航精度高，但是导航误差在时间累积下会不断累积，水声导航系统可以有效降低UUV导航过程中的累积位置误差，保证UUV的导航精度。 论文针对现有载人平台水声导航系统设备复杂、体积较大、功耗较高、安装到UUV较为困难的问题，研究适用于UUV的长基线水声导航解算方法，并在单个FPGA芯片内实现相应的信号处理和位置解算算法，为小体积、低功耗水声导航仪的研制提供支撑。 论文对长基线导航系统中的信号预处理、信号联合检测、水声信道相干多途特性及多途干扰抑制方法、长基线导航算法进行了理论研究和仿真。选取多通道并行Notch滤波器作为潜标信号提取方法，采用包络检波、鉴宽器与瞬时频率方差(VIFD)联合检测器作为信号检测方法，针对信道多途引起的脉冲叠加特性设计相应的检测策略，并仿真分析了优化导航算法对系统的导航性能的影响。 基于上述理论研究和仿真分析结果，论文选取Zynq系列异构FPGA平台作为长基线导航算法实现的硬件平台，分别对PL端和PS端的程序进行了详细设计。着重对PL端的数据采集打包模块、多通道并行Notch滤波器模块、多通道抗多途干扰的时延估计模块、方差检测辅助判决模块、PS-PL通信模块进行了程序设计、逻辑仿真和时序优化;其中，滤波器模块、时延估计模块、辅助判决模块充分发挥FPGA并行运算优势，实现四通道数据并行处理，大大缩短数据处理时间。并对PS端的系统配置、声线修正模块和导航解算模块进行了设计和实现。 最后，论文基于FPGA硬件平台对实现的长基线导航算法进行了功能测试与资源消耗评估。重点测试了数据采集功能、信号检测和时延估计功能、导航解算功能与声线修正功能，测试结果表明上述功能均正常，达到设计目的。完成了长基线算法资源评估，其资源消耗满足单芯片实现长基线导航算法的要求。完成了功耗评估，相比于DSP平台实现算法，FPGA平台实现算法功耗降低明显。在消声水池中对基于FPGA的长基线导航平台进行了整体测试，验证了算法的正确性。论文研究成果可应用于UUV导航仪中的信号处理和导航解算模块，具有小体积、高集成度、低功耗、高精度的优点。 |
| 作者： | 陈钰清 |
| 专业： | 水声工程 |
| 导师： | 王燕 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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