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原文传递单信标辅助的水下定位技术研究

论文题名：	单信标辅助的水下定位技术研究
关键词：	自主水下航行器;单信标定位系统;扩展卡尔曼滤波算法;自适应网络模糊推理系统
摘要：	近些年，水下研究不断深入，自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)的应用也越来越广泛，AUV定位技术也不断发展。传统的定位技术都各有优缺点，而与其他定位系统相比，单信标定位系统具有隐蔽性强和节省标定回收成本的优点，为AUV定位提供了新的解决方案，所以本文以单信标辅助的水下定位技术为研究方向。单信标定位系统的基本原理是AUV利用单次测距信息和自身的速度信息解算出当前的位置信息。由此本文按照系统可观测性分析，初值解算问题和定位算法的顺序展开研究。　　单信标定位系统相比于传统定位系统由于量测信息少，在实际工作中可能出现无法观测的情况，影响定位算法的精度，所以本文首先对于研究的场景进行了可观测性分析。利用可观测矩阵和可观测度两种手段分别从定性和定量的角度分析了本文研究的单AUV和AUV集群两种场景下的可观测性。本文接着研究如何利用单信标辅助定位AUV。单信标定位系统中定位算法需要依赖前一时刻的位置信息，所以初始位置是无法利用定位算法求解，为了解决初始位置解算问题，本文提出多假设初始位置判别方法，并通过仿真和实测数据证明了提出的方法能够有效的估计出单信标定位系统的初始位置。　　在获得初始位置的基础上，当定位系统中只有一个AUV时，AUV接收的信息只有与单信标之间的单次测距信息和由自身传感器得到的速度信息。为了解决单AUV的定位问题，本文提出基于自适应网络模糊推理系统改进扩展卡尔曼滤波的单信标定位方法，并且通过实测数据验证了提出的方法能够实现单AUV的高精度定位。在单信标辅助单AUV定位场景中，为了加快单信标定位系统定位算法的运行速度，本文提出了扩展信息滤波算法，并且通过实测数据证明了提出的方法在保持AUV的定位精度的基础上可以减少系统运算时间。　　当定位系统中包含多个AUV时，单信标同样能够提供定位辅助。AUV集群中包括主AUV和从AUV。从AUV速度信息精度较低所以需要依靠AUV间的协同定位和单信标测距信息来定位。为了解决AUV集群中从AUV的定位问题，本文提出基于因子图和容积卡尔曼滤波的协同定位方法，并且分别通过仿真和实测数据证明了提出的算法不仅能提升从AUV的定位精度而且能够维持系统的鲁棒性。在此基础上，为了解决长时间作业过程中，AUV的深度不断变化导致出现多普勒测速仪提供的速度信息一段时间内不准确的问题，本文提出基于距离信息求解判断的协同定位方法，并通过仿真实验证明了提出的方法在这种情况下能够有效的解算出从AUV的位置信息。
作者：	赵惠锋
专业：	电子与通信工程
导师：	刘璐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022