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原文传递 AUV地形匹配导航初始定位研究

论文题名：	AUV地形匹配导航初始定位研究
关键词：	自主式水下航行器;地形匹配导航;置信区间估计;路径规划;畸变节点识别;粒子滤波;信息融合
摘要：	地形匹配导航系统能为自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)提供无时间累计误差的定位信息，它通过AUV搭载的测深设备获取载体下的海底地形高程数据并与先验地形图进行匹配，从而获得实时测量地形在先验地形图中的位置。由于先验地形图在导航坐标系中的位置为已知，则AUV相对于导航坐标系的位置可求。论文根据已有的研究进展和结论对地形匹配导航技术进行进一步完善，主要工作如下: 　　潮差和测量误差未知条件下的地形匹配定位观测模型以及地形匹配定位的置信区间估计问题。地形匹配定位的置信区间求解一直没有得到很好的解决，主要原因是由于地形曲面不能通过参数方程描述，而且地形匹配定位点具有独立性，所以地形匹配定位点的分布无法用特定的概率分布进行描述。论文中将定位残差的平方和函数视为二次曲面函数，视定位点为待估计参数，将地形匹配定位的置信区间估计问题描述为二次曲面参数的置信区间求解问题，从而使地形匹配定位的置信区间估计问题得到解决。进一步的将地形匹配定位的误差分析方法推广到了是地形适配性研究中，并提出了先验地形图网格化前提下的适配区域和非适配区域的最优分割方法，网格化适配性地图将适用于解决地形匹配导航路径规划问题中的最优路径搜索问题。　　测量地形畸变节点滤波方法以及基于地形畸变节点滤波的定位研究。针对测量地形的局部畸变误差引起的地形匹配定位不稳定问题研究了测量地形畸变节点识别和筛选方法的研究。论文中提出了基于地形匹配定位残差统计方法和基于脉冲耦合神经网络的方法进行测量地形的畸变节点识别的剔除，以此降低错误的地形信息对地形匹配定位结果的负面影响，同时利用船载测量数据进行了畸变节点筛选算法的有效性验证和基于筛选算法的定位精度对比分析，该部分的内容主要是为高精度和高稳定性地形匹配定位方法提供理论和技术支撑。　　粒子滤波地形匹配导航的粒子初始化问题。当初始时刻参考导航的累积误差较大时，参考导航所提供的定位信息严重的偏离了实际，若采用参考导航信息或者地形匹配定位信息对粒子进行初始化则会使初始粒子的覆盖范围太大，出现自相似地形的概率会增加，粒子滤波很难收敛甚至会出现滤波发散。考虑到地形匹配定位的误差是有界的且与时间无关，因此论文提出了利用地形匹配定位的有效定位点进行地形匹配导航的初始化，提出了快速收敛粒子滤波方法，该算法通过地形匹配定位的置信区间将初始粒子约束在较小的范围内，从而提高滤波收敛速度。　　多定位信息融合模型与融合算法研究。由于地形匹配定位点的精度最要受到地形特征和测量误差的影响，而且由于各地形匹配定位点的测量地形之间几乎不存在相关性，所以地形匹配定位结果具有随机跳变性且定位点之间几乎没有相关性，这也导致在初始阶段很难获得较稳定的定位结果。针对地形匹配导航初始定位稳定性差、精度低的问题，考虑到参考导航在的导航点之间具有递推关系，提出了利用参考导航结果的相关性约束地形匹配定位定的思想，将多个地形匹配定位点的定位信息与参考导航定位结果进行融合定位，论文研究了多地形匹配定位点线性融合方法和多地形匹配定位点非线性融合方法。
作者：	王汝鹏
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李晔
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019