一种小型AUV组合导航方法

周振华

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 浙江杭州 310023

自主式水下航行器（Autonomus Underwater Vehicle，AUV）作为一种执行水下侦察、勘探、攻防等重要任务的平台，在海洋开发日益重要的现在，越来越得到各国的重视[1-2]。

AUV受自身结构空间的限制，携带能源有限[3-4]。因此，采用低成本、小体积、少功耗等诸多突出优点的微型惯性测量 单 元（Micro-Electronic Mechanical SystemInertial MeasurementUnit，MEMS-IMU），如 IMU720G、SBG、MTi等，有利于AUV的小型化、产品化[5][6]。

针对小型化的AUV，本文提出一种MEMS-IMU/DVL/深度传感器/GPS组合导航应用方法，该方法可有效的解算出AUV姿态、速度、位置等信息，同时AUV在水面航行时可对位置误差进行修正。

1 系统解算原理

图1 系统解算原理图

本文提出的组合导航系统解算原理如图1所示，根据MEMSIMU输出的姿态信息经误差修正后即可得载体姿态信息；由当前DVL输出信息可得到载体前进和侧向速度，并根据深度传感器的变化获取AUV竖直方向的速度；将AUV航速转换到导航坐标系下并积分可得到位置信息，当AUV在水面时，利用获取GPS信息对位置误差进行修正。

2 导航解算

2.1 坐标系定义

选取东-北-天坐标系为导航坐标系（n系），载体右-前-上为载体坐标系（b系）。AUV绕X、Y、Z轴转动分别对应载体的俯仰、横滚、航向的变化，载体姿态角均为零时，即载体系与导航系重合。

2.2 姿态解算

AUV姿态可由MEMS-IMU输出的姿态信息获取，考虑到MEMSIMU安装到AUV平台时存在安装误差，因此MEMS-IMU输出的姿态信息需要消除安装误差。

2.3 速度解算

AUV安装的DVL可输出载体前向-测向速度，AUV深度信息可由深度传感器测得，因此根据AUV航行过程中深度的变化h（t），计算出导航系下载体天向速度Vu为：

2.4 位置解算

AUV在地球上的位置可用经度、纬度、深度来表示，深度由深度传感器测得，因此只需对AUV的经度、纬度进行解算，即可确定AUV的空间位置信息。

将AUV速度在导航系下的投影进行积分为：

其中，λ0、L0分别为载体在t 0时刻的经度和纬度；λ˙0、L˙0分别为t 0到tk时间段内载体在经度和纬度的变化率，可由运动速度计算得：

式中，RM、RN分别表示地球的子午圈、卯酉圈曲率半径；h为载体深度，Ve、Vn分别为载体在导航系下东向和北向的速度投影。

将式（2）、式（3）整理得：

设VN为载体在导航系下的速度投影，则

式中，Vu为导航系下载体天向速度，、、分别为载体系下载体右-前-上方向速度，Cbn为载体系到导航系的转换阵，且：

其中，θ、γ、φ分别为载体的俯仰角、横滚角、航向角。

由式（4）、式（5）、式（6）可解算出载体的经度、纬度。当AUV在水面时，利用GPS信息对纬度误差和经度误差进行修正，并继续以修正后的经纬度进行位置推算。

3 误差分析

3.1 姿态误差

AUV的姿态误差主要由MEMS-IMU器件量测误差及其安装误差引起。其中，器件量测误差为器件自身特性，随着技术水平的提高，器件量测误差会越来越小；器件安装误差是由安装环境、安装精度等因素引起，可通过标校、补偿等方法减小安装误差对姿态的影响。

3.2 速度误差

AUV的速度误差主要由DVL输出误差、安装误差等引起，DVL输出误差大小取决于器件的测速精度，安装误差可通过软件补偿等方法以减小安装误差对测速精度的影响。

3.3 位置误差

AUV位置误差是姿态误差和速度误差引起的。在导航系下，高度通道经深度传感器阻尼，其深度值和深度变化率精度较高，因此定位误差主要是精度误差和纬度误差。

（1）姿态误差引起的定位误差。设MEMS-IMU器件误差引起的载体航向误差为Δφa，安装误差引起的载体安装误差为Δφb，载体航程为D，则此状态下引起的定位误差为：

（2）速度误差引起的定位误差。设DVL输出速度误差为Vn，其它因素引起的速度误差为Vm，载体航行速度为V，则速度误差引起的定位误差为：

由式（8）、式（9），载体定位误差为：

4 仿真分析

4.1 仿真条件设置

（2）设MEMS-IMU器件水平姿态RMS误差为0.2°，方位RMS误差为0.5°，深度传感器误差为0.1m，在水面时GPS定位误差为10m，AUV速度误差为0.1m/s，航速8节，AUV在水下运动轨迹如图3所示，航程共3.6km，姿态误差、速度误差、位置误差分别如图4、图5、图6所示。

4.2 仿真结果与分析

根据图2可知，在器件安装误差一定时，航速越大定位误差越小。

图2 不同航速时系统定位误差

图3 AUV水下运动轨迹

图4 AUV姿态误差

图5 AUV速度误差

图6 AUV位置误差

根据图4、图5、图6可知，AUV在水下航行过程中，载体姿态误差和速度误差均可收敛至一定的误差范围，位置误差随着时间的推移逐渐增大；在831s时，AUV航行至水面，GPS可接收到位置信息进行误差修正，此时，载体的姿态、速度、位置误差均收敛至较小的误差范围。

5 结语

本文提出的MEMS-IMU/DVL/深度传感器/GPS的组合导航方法可有效的解算出AUV的姿态、速度、位置等信息。对于导航精度要求较高的环境，可通过AUV定期上浮进行位置误差修正以提高系统导航定位的精度。