基于SINS/DVL/GPS的AUV组合导航标定方法的研究及其误差分析∗

吕志刚

（中国船舶重工集团公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

自主水下航行器（Automatic Underwater Vehi⁃cle，AUV）是能够在水下自主航行、自动控制、并能按照设定的程序自主完成预定任务的水下集成系统，它在海洋权益的维护和海洋开发等方面均有广泛的应用［1］。要使自主水下航行器能够完成预定的使命和任务，水下导航定位是一项关键技术，也是决定水下航行器技术发展与应用的关键技术和瓶颈技术。由于水下导航与空气中导航相比，具有工作时间长、环境复杂、信息源少、隐蔽性要求高等特点，因而水下导航相对在空气中的导航具有更大复杂性和难度［2～3］。单一的导航系统由于自身存在的不足，已无法满足现代导航系统高精可靠性的要求。因为惯性导航系统虽然是一种完全自主的导航系统，可提供速度、姿态和位置信息，但导航误差随时间积累［4～5］。如果将多种系统适当地组合，便可取长补短，大大提高导航精度。将捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System，SINS）和多普勒计程仪（Doppler Velocity Log，DVL）系统两种导航方式组合，可以构成具有高精度、高可靠性、高自主性的SINS/DVL水下组合导航系统，该组合模式工作时不需要任何外部陆基或星基设备的支持，是目前比较成功的水下组合导航系统［6］。

2 AUV组合导航系统的组成

本文研究的AUV组合导航系统采用SINS/GPS/DVL组合导航的方式，为载体提供连续、高精度的导航信息，其原理框图如图1所示。当AUV在水下航行时采用SINS和DVL组合的实行导航，当航行一定路程后，通过控制AUV的航行深度和速度，待航行深度及速度稳定后将GPS放出至水面接收GPS信号，实现SINS的有源校准，从而校正AUV水下航行的累积偏差，校准结束后收回GPS，保证AUV依然能够沿着指定航线继续航行。

2.1 捷联式惯性（SINS）导航系统

捷联式惯性导航系统把惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接安装在本体上，利用惯性测量单元基准方向及最初的位置信息来确定运载体的姿态、方位、速度和位置的自主式推算导航系统。

本论文讲述的捷联惯组由3只二频抖动激光陀螺、3只石英加速计及相应电源模块、加速计电路模块、陀螺电路模块、主计算机电路模块等功能组件组成。

3只陀螺和3只加速计按正交方式安装在本体上，构成惯性敏感组件。激光惯组用陀螺敏感载体坐标系方向的角速度和加速计敏感载体坐标系方向的比力，通过四元数积分算法建立载体坐标系到导航坐标系的坐标转换矩阵，将比力增量转换到导航坐标系，从而建立数学平台。对比力增量进行积分得到速度、位置参数，并计算载体的航向、姿态参数，完成纯惯性导航计算。通过串行通信接收多普勒计程仪数据，并完成Kalman滤波算法，得出经修正的速度、位置、航向、姿态参数，然后通过串行通信口发送给中央控制单元。激光惯组的纯惯导算法流程如图2所示，其主要性能指标见表1所示。

2.2 多普勒计程仪

目前精度较高的水下多普勒计程仪普遍采用固定波速方向的四波速系统。即发射的声波波速的方向相对多普勒测速仪的仪表坐标系的角度位置固定不变，多普勒计程仪在AUV上安装时使其仪表坐标系与AUV载体坐标系各轴平行且方向保持一致，此时反应在多普勒计程仪仪表坐标系的速度也就是AUV载体坐标系的速度。

表1 SINS性能指标

多普勒计程仪主要用于修正激光惯组的速度误差。声波计程仪的测速误差经过一次积分转化为航程误差，测速误差中的一些随机量通过长时间积分可以抵消，而一些漂移量则最终体现为航程误差。根据目前多普勒计程仪的误差特性，其测速误差不大于0.5%时，可以保证组合导航精度。DVL的一些主要性能指标见表2所示。

表2 DVL性能指标

2.3 GPS导航系统

全球定位系统（GPS）是美国国防部研制的第二代卫星导航系统。GPS卫星导航定位系统自投入使用以来，以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便和应用广泛等特点著称。优点是可在全球范围内、全天候提供高进度的三维位置、三维速度和时间基准信息，通常更新时间为1s。

表3 GPS性能指标

3 标定方法

为提高AUV的SINS/DVL组合导航系统定位精度需要准确标定出捷联惯性导航系统和多普勒计程仪之间的安装误差角以及DVL的刻度系数。安装误差角可通过AUV实航标定得出或通过测量设备测出安装误差角然后将测量的安装误差值写入SINS，然而DVL的刻度系数可单独通过跑船试验计算得出，并只需出厂时进行即可，后期使用过程中参数固定并可一直沿用。

3.1 实航标定安装误差角

实航标定可以根据航行水域深度和当时海况进行选择是水面自主航行还是水下自主航行进行标定。如图3所示，标定时选择一片开阔水域，设计的AUV的预定航线为B→C→D→E→F→G，，整个航行过程采用自主航行，这样可确保AUV是匀速直线航行。当AUV航行至标定航路起始点B后AUV进行降速，AUV航行速度小于1kn后进行第一次有源校准，有源校准结束后通过水面操控台下发自主任务文件开始标定，此时AUV开始注水下潜，之后沿BC方向进行定深水下自主航行。到达D点后AUV降速并进行深度调整，当深度调整为25m并航行速度小于1kn，则进行释放GPS至水面开始第二次有源校准，校准结束后收回GPS继续下潜航行。之后分别在F、G点进行第三、第四次有源校准，第四次有源校准结束后标定结束。

为了使得安装误差角标定更准确，因此在整个标定过程中AUV做了多次水下折返航行并进行4次有源校准，并且两次有源校准之间航行尽可能远（两次大于7km，一次大于5km）。这样AUV可不受海况影响，并可通过求多次安装误差角的平均值就可得到实际所需的精确修正后的安装误差角。

3.2 测量安装误差角

将三个角度测量仪器制作为SINS、DVL换能器、ACL换能器的安装定位接口，并分别模拟导航组件紧固安装于AUV上的相应位置，角度测量仪器中的传感器利用倾角传感器，其参数如表4所示。测量后通过读取三个角度测量仪器的倾角值，即可计算出导航组件间的安装误差角（亦可多次测量减小误差），然后将安装误差角写入SINS，为了保证该安装误差角满足航行精度要求，参数写入后需要进行一段距离的实航验证，具体流程如图4所示。

表4 倾角传感器参数表

3.3 DVL刻度系数标定

DVL在水中由于受水温、盐度和环境噪声的影响，而且本身的信号存在衰减、散射等情况，因此测量的速度与真实值存在差异。此时可以引入一个系数k对DVL的速度进行综合误差修正。系数k可通过实航跑船试验获得，试验时将计程仪平均速度与GPS输出的航行平均速度进行对比，这样就可拟合出一个较真实的系数k，平均值计算公式见式（1）、（2），各速度值从航行开始计时取大于6km以上数据，大于6km后每秒输出数据为一个采样点。

4 误差分析

组合导航系统的误差主要包括设备固有误差和系统误差，系统误差主要有设备的安装误差。虽然安装误差可以通过标定进行修正，但是当SINS或多普勒计程仪换能器出现故障或要进行长途运输时需要将其从AUV上拆下，则导航设备相对AUV的相对位置就发生改变，并且多普勒计程仪换能器与SINS的相对位置也发生变化，因此不可避免地引入了系统误差，但经过试验验证表明经过标定后的AUV即使导航设备相对位置发生变化，但组合导航精度仍然满足要求。因此以下主要分析各设备的误差源。

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4.1 SINS误差分析

惯性导航系统是由高精度惯性元件组成的自主性强、精度高、安全可靠的导航设备。但是一切仪表的精度都是相对的。惯性导航系统从它的结构安装、惯性元件到工程实施等各个环节都不可避免地存在一些误差因素，这些导致惯性导航系统产生误差的因素统称为误差源。

惯性导航系统主要有三大部分组成，分别是激光陀螺仪、加速度计和计算机处理相关单元，其误差源主要有以下几种。

1）结构误差：主要是陀螺仪和加速度计安装误差；

2）元件误差：主要是陀螺仪的漂移率和加速度计的零位误差；

3）转换误差：主要有加速度计的刻度系数误差、陀螺仪力矩传感器的刻度系数误差以及转换装置本身的量化误差；

4）初始条件误差：主要是初始姿态误差和计算机单元在计算导航动力学方程时引进的初始速度和初始位置误差。

4.2 多普勒计程仪误差分析

多普勒计程仪是利用声波传播的多普勒效应测量AUV航行速度。设声源S发射信号的频率为f，当声源与观察者O之间存在相对径向运动时，观察者接收到的声波频率为，其中c为声速，v0和vs分别为声源和观察者相对介质的运动速度［7～8］。

当利用多普勒效应测量AUV航行速度时，AUV首先作为声源，海底为观察者，当声波被海底介质发射时，海底作为声源，而AUV自身作为观察者，并在 v＜＜c的情况下，多普勒频率，其中 f2为接收信号的频率。 fd的精确公式为对比发现简化公式是在精确公式基础上舍去了二次项和其它高此项的近似表达式，从而通过简化公式引入了误差[9]。通过对精确公式分析可知多普勒频率的主要误差源有：1）公式简化引入的误差；2）AUV运动状态不稳定性引起的误差，多普勒频移与波束倾角有密切关系，AUV摇摆引起波束倾角的变化，从而产生测速误差；3）声速变化引起的误差，主要是因为海水中的声速是海水的密度、盐度和静压力的函数；4）波束展宽引起的误差，多普勒计程仪接收回波信号时，由于发射波束总有一定宽度（5°），此时的回波信号是不同角度的声线返回后的集合，致使回波信号频谱相比发射信号频谱展宽；5）基阵安装引起的误差，主要是因为多普勒计程仪是通过测量波束主轴方向的多普勒频移来计算AUV速度的，如果在安装多普勒基阵时发生了位置偏差，使得实际安装的基阵波束主轴与设计的波束主轴方向存在夹角，就会带来误差。

5 结语

文中针对AUV在大航程时存在较大的导航定位精度问题，提出SINS/DVL/GPS组合导航系统方案，然后对AUV组合导航系统的标定方法进行了系统性的研究，并对组合导航系统的误差进行分析。但如何才能实现快速标定、标定完成后可实现多普勒计程仪换能器和SINS拆装后不影响组合导航系统精度以及导航设备可不依赖AUV进行单独标定，需要我们在研究AUV同时，更加关注组合导航系统的研究，从而使该关键技术能够得到相应的突破。

［1］王小峰.水下航行器INS/GPS/DVL组合导航方法［J］.鱼雷技术，2010，18（8）：287-290.

［2］张涛，徐晓苏.INS/GPS/DVL组合导航系统中测量延迟的影响及标定方案分析［J］.吉林大学学报：工学版.2010，40（11）：1735-1740.

［3］LEE PAN-MOOK，KIM SEA-MOON，et al.Improvement on an inertial-doppler navigation system of underwater ve⁃hicles using a complementary range sonar［J］.Underwter，2004，29：133-138.

［4］TITTERTON DH，WESTON J L.Strap-down Inertial Navi⁃gation Technology［M］.2th ed.The Institution of Electri⁃cal Engineers，2004：335-374.

［5］秦永元.惯性导航［M］.北京：科学出版社，2006：164-170.

［6］刘承香，孙枫，曹结.SINS/GPS/DVL组合导航系统的容错研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2003，24（4）：157-160.

［7］刘伯胜，刘家煜.水声学原理［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1997：59-86.

［8］田坦，刘国枝，孙大军.声纳技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：149-169.

［9］陈传坎.船用多普勒计程仪测速精度分析［J］.航海技术，2004（2）：33-34.