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原文传递基于多波束测深声呐的海底地形辅助定位导航方法研究

论文题名：	基于多波束测深声呐的海底地形辅助定位导航方法研究
关键词：	水下潜器;海底地形;辅助定位导航方;多波束测深声呐;粒子滤波
摘要：	水下潜器作为人类开发利用海洋的重要工具，在海洋环境监测、海底石油管线检测、战区侦察及攻击敌舰等军民领域具有广泛的应用。精确自主的定位导航为潜器长期安全航行和实施精准探测提供基本保障。海底地形辅助导航作为一种非传统辅助导航方式，其误差不随航行时间积累，具有无源、隐蔽、高精度和完全自主等优点，近年来已成为国内外水下定位导航领域研究热点之一。本文结合多波束测深声呐测量二维地形优势，通过理论分析、计算机仿真模拟和外场试验数据处理验证等手段，开展基于多波束测深声呐的海底地形辅助定位导航方法研究。论文主要工作如下: 　　1、对水下地形辅助导航系统组成结构、数学模型和理论方法进行研究。首先，分析水下先验地形数据库、参考导航单元、地形测量单元和地形匹配单元四个水下地形辅助导航系统的组成部分及其作用。然后，给出水下地形辅助导航一般化数学模型，依据参考导航单元和地形匹配单元耦合方式不同，分析紧耦合和松耦合状态模型适用条件和优缺点，结合所使用水下地形测量传感器及其观测量形式不同，比较单波束和多波束观测模型以及基于观测斜距和投影水深的观测模型的优缺点。最后，从估计角度，探讨几类典型水下地形辅助导航方法及其对应的模型假设条件，并结合实际参考导航系统和水下环境特性，分析现有方法稳健性和实时性存在的不足之处。　　2、对基于多波束测深的海底先验数字地形成图方法进行研究。首先，在介绍多波束测深系统组成结构和工作原理基础上，给出多波束测深数据后处理及成图流程，并比较分析平均声速模型、层内常声速和层内常梯度声速三种不同声线剖面模型对声线追踪测深精度的影响，实际多波束测深数据处理试验结果表明，相比于平均声速模型，层内常声速和层内常梯度声速模型更合理反映声线传播过程，获取更高声线追踪测深精度。其次，针对多波束测深数据异常点自动检测问题，结合高斯过程回归小样本学习能力和截断最小二乘估计稳健特性，提出一种基于稳健高斯过程回归的多波束测深异常点自动检测方法，通过仿真试验和实际多波束测深数据处理试验，结果表明，所提方法对于测深数据中的大小和族群异常值均具有较好的自动检测能力。然后，针对现有平均加权、反距离加权和高斯加权地形网格化成图方法存在对异常点敏感问题，提出一种基于广义极大似然估计的多波束测深数据网格化成图方法，通过仿真试验和实际多波束测深数据处理试验，结果表明，所提网格化方法能有效抑制异常点引入的虚假地形，更合理表征真实水下地形。最后，基于所提出方法，实现大面积高分辨的水下先验地形图构建，为后续水下地形辅助导航奠定地图基础。　　3、对基于多波束测深面地形的稳健快速匹配定位方法进行研究。首先，介绍多波束测深面地形匹配定位五个关键步骤，结合估计理论中估计均方误差所能达到的最低下界，推导地形匹配定位的克拉美罗下界，并给出一种依据克拉美罗下界进行组合测量数选取的方案。然后，探讨最邻近、双线性、三次样条和克里金插值四种插值方法在不同地图分辨率下的插值性能，通过多波束实测数据地形插值重构试验，结果表明，四种方法对于高分辨率地图插值精度相当，而对于低分辨率地图克里金插值和三次样条插值精度更高，但克里金插值计算量较大，不利于地形匹配定位的实时实施。最后，从定位的稳健性和实时性角度出发，针对传统极大似然估计地形匹配定位方法采用高斯似然函数作为相似性度量易导致定位精度下降甚至出现虚假定位的问题，以及采用网格遍历搜索方式导致算法计算量大的问题，提出一种多波束测深面地形稳健快速匹配定位方法。在所提方法中，采用广义极大似然估计中的Huber函数作为相似性度量，采用差分进化智能优化方法进行快速全局搜索，通过计算机仿真和湖试数据离线回放定位试验，结果表明，相比于传统方法，所提方法不仅能够有效抑制测量中的异常值对于匹配定位结果的影响，而且在保证定位全局最优的同时，具有更小的计算量，有利于定位实时实施。　　4、对基于递推贝叶斯估计的稳健地形跟踪导航方法进行研究。首先，在递推贝叶斯估计框架下，探讨扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波、质点滤波和粒子滤波四种非线性滤波方法在不同传感器观测模型下的水下地形跟踪导航应用性能，通过仿真试验，结果表明，相比于单波束测深模型，四种方法在多波束测深模型下跟踪导航性能更好，相比于扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波，质点滤波和粒子滤波具有更高的导航精度以及更稳定的收敛性能，但相比质点滤波，粒子滤波计算量更小。然后，选取粒子滤波为研究对象，针对标准粒子滤波中粒子数目选取对地形辅助导航精度和实时性影响问题，提出一种基于自适应采样粒子滤波的地形跟踪导航方法，仿真结果表明，自适应粒子滤波能够在保证跟踪导航精度的同时，很好地提高跟踪导航实时性。最后，针对多波束测深异常值存在易导致标准粒子滤波精度下降甚至滤波发散的问题，提出一种基于稳健粒子滤波的地形跟踪导航方法，通过计算机仿真和外场湖试数据离线回放试验，结果表明，所提方法能够有效抑制多波束测量异常值引起的滤波发散，提高地形跟踪导航稳健性。
作者：	彭东东
专业：	水声工程
导师：	周天
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022