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原文传递基于SINS的高精度水下运动测量装置的设计与实现

论文题名：	基于SINS的高精度水下运动测量装置的设计与实现
关键词：	水下航行器;运动测量;捷联式惯性导航系统;Kalman滤波;误差补偿
摘要：	水下运动测量一直是水下导航领域研究的热点问题，因光纤捷联惯导自主性强、精度高、工作稳定可靠等优势，成为了高精度水下自主性导航的主要方式，但捷联式惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem，SINS)存在累计误差的劣势，必须有辅助导航设备实时输出外部信息对SINS进行误差修正。本文以水下航行器运动测量为研究背景，在水池特定环境下，提出一种基于SINS的水下运动测量方案，研究压力深度计辅助导航，抑制SINS高度通道发散等相关技术。针对测量方案和工程需求，进行SINS和水下导航系统总体设计和系统搭建、水下导航系统的基本原理研究和误差补偿、水下导航系统初始对准和高度通道阻尼技术的研究，最后完成试验验证。　　论文具体研究内容如下: 　　(1)完成水下运动测量系统的总体设计:针对实际工程需求，进行总体方案设计和拟定系统指标;其次，参考预期指标，完成光纤陀螺、加速度计和压力深度计关键器件的选型;针对器件尺寸设计系统机械结构，针对关键器件的输出信号和电源需求设计电源、信号采集和导航解算等硬件电路板以及驱动程序的编写;最后为了满足输出数据的实时显示和工程后期试验数据的处理分析，设计上位机对数据进行实时显示和保存。　　(2)水下组合导航系统的基本原理和误差补偿:分析了SINS和压力深度计的基本原理和误差模型;针对惯性测量单元(InertialMeasurementUnit，IMU)确定性误差，建立陀螺仪和加速度计误差模型，估计零偏、标定因数和安装误差并进行补偿，提高惯导测量精度;针对IMU随机误差，进行Allan方差随机误差参数分析，辨识随机游走系数和零偏稳定性，为第4章节中的算法验证提供参考;最后，分析了压力深度计的静态测量误差，并进行滤波和温度补偿，提高压力深度计量测精度。　　(3)初始对准研究及深度测量误差修正:进行初始对准研究，提高对准和导航精度;其次，分析SINS高度通道的基本原理和误差，并仿真验证了SINS高度通道按指数型发散;针对SINS高度通道发散问题，引入外部深度信息，对高度通道进行阻尼抑制，并仿真分析了加表零偏、初始深度误差和深度计测量误差对天向位移的影响，结果表明，经典阻尼算法解决了天向位置发散问题，稳态误差达到厘米级，但存在初始时段的系统幅值振荡问题;针对幅值振荡问题，进行数学建模、Kalman滤波算法仿真，验证了该算法的有效性，从而又解决阻尼算法存在的幅值振荡问题。　　(4)水下运动测量系统试验验证:设计环境适应性试验，验证该系统在多环境条件下，工作均稳定可靠;其次，设计性能试验测试，进行对准（静态和摇摆）、对准重复性、静态导航和室外航姿基准对比试验，结果表明，对准航向精度＜0.1°、姿态＜0.01°，静态导航航向精度＜0.1°/h、姿态＜0.01°/h，动态航姿保持航向精度＜0.1°/h，姿态＜0.03°/h;最后设计水下试验，深度测试验证了SINS/压力深度计方案的优越性，深度测量精度达到厘米级。模型系泊、垂向运动和重复性试验，验证了水下运动测量系统的可行性与稳定性，其中水平位置误差精度1m/30s，达到良好的预期值，证明了水下运动测量系统满足工程应用要求。
作者：	张永超
专业：	控制科学与工程
导师：	何昆鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021