第13卷第2期 智能系统学报 Vol.13 No.2 2018年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2018 D0:10.11992/tis.201612039 网络出版地址：http:/kns.cnki.net/cms/detail/23.1538.TP.20170702.0425.016.html 无人潜航器DVL测速组合定位校正阻尼抑制方法 李明 (中国人民解放军海军驻锦州地区军事代表室，辽宁锦州121000)】 摘要：为了抑制无人潜航器工作过程中舒勒振荡对导航精度的影响，本文提出了一种无人潜航器DVL测速组合定 位校正阻尼抑制方法。无人潜航器由于其特殊的工作需求，经常需要在水下停留或航行较长时间。由于其隐蔽性能 的需要，不能够经常浮出水面通过GPS进行位置校准。舒勒振荡在无人潜航器短时间航行时并不会产生较大影响， 而当无人潜航器长时间航向时，就会对系统产生不可忽略的误差。为了解决这个问题，本文提出了外速度阻尼网 络。并且为了得到更精确的外速度信息，引入外速度加权融合算法。通过与无阻尼系统对比的仿真实验验证了外速 度阻尼网络在无人潜航器导航中可以有效抑制长时航行时舒勒振荡对系统的影响。 关键词：无人潜航器；惯性导航系统：振荡；多普勒效应；阻尼；速度测量：差分 中图分类号：TP18:U666 文献标志码：A文章编号：1673-4785(2018)02-0322-05 中文引用格式：李明.无人潜航器DVL测速组合定位校正阻尼抑制方法J.智能系统学报，2018,13(2)：322-326 英文引用格式：LI Ming.Inhibition of oscillation using Doppler external velocity damping in navigation of unmanned submarine. CAAI transactions on intelligent systems,2018,13(2):322-326. Inhibition of oscillation using Doppler external velocity damping in navigation of unmanned submarine LI Ming (Navy Military Representative Office in Jinzhou,Jinzhou 121000,China) Abstract:In this paper,a method of oscillation inhibiting by using Doppler external velocity damping in unmanned sub- marine navigation is proposed in order to inhibit the effect of Schuler oscillation on the navigation accuracy of un- manned submarines.Unmanned Submarines often need to stay or navigate underwater for a long period of time because of their special working requirements,and cannot surface often in order to calibrate their position through GPS,due to the need of operating while hidden.When an unmanned submarine is used for a short period of time,the Schuler oscilla- tion will not have a significant influence.However,when it navigates for a long time,the error produced by Schuler os- cillation cannot be ignored.In order to solve this problem,this paper proposes an external velocity damping network.A weighted fusion algorithm for external velocity is proposed in order to obtain more accurate information on velocity. The results obtained by the comparison to a non-damping system through simulation experiments verified that the ex- ternal velocity damping network could effectively inhibit the effect of Schuler oscillation on the system,when an un- manned submarine navigated for a long period of time. Keywords:unmanned submarine;inertial navigation systems;oscillation;Doppler effect,damping;velocity measure- ment;difference 近些年来，无人潜航器在海洋勘探等军事任务 确的导航定位精度是其完成任务的保障。目前，无 中发挥着重要的作用。无人潜航器在执行任务时精 人潜航器上普遍应用的导航系统为捷联式惯性导航 收稿日期：2016-12-30.网络出版日期：2017-07-02. 系统（简称捷联惯导系统）与其他导航系统的组合。 基金项目：国家自然科学基金项目(51679057. 通信作者：李明.E-mail:limingLM2016@163.com. 捷联惯导系统在长时间工作时会因为舒勒振荡
DOI: 10.11992/tis.201612039 网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170702.0425.016.html 无人潜航器 DVL 测速组合定位校正阻尼抑制方法 李明 （中国人民解放军海军驻锦州地区军事代表室，辽宁 锦州 121000） 摘 要：为了抑制无人潜航器工作过程中舒勒振荡对导航精度的影响，本文提出了一种无人潜航器 DVL 测速组合定 位校正阻尼抑制方法。无人潜航器由于其特殊的工作需求，经常需要在水下停留或航行较长时间。由于其隐蔽性能 的需要，不能够经常浮出水面通过 GPS 进行位置校准。舒勒振荡在无人潜航器短时间航行时并不会产生较大影响， 而当无人潜航器长时间航向时，就会对系统产生不可忽略的误差。为了解决这个问题，本文提出了外速度阻尼网 络。并且为了得到更精确的外速度信息，引入外速度加权融合算法。通过与无阻尼系统对比的仿真实验验证了外速 度阻尼网络在无人潜航器导航中可以有效抑制长时航行时舒勒振荡对系统的影响。 关键词：无人潜航器；惯性导航系统；振荡；多普勒效应；阻尼；速度测量；差分 中图分类号：TP18；U666 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2018)02−0322−05 中文引用格式：李明. 无人潜航器 DVL 测速组合定位校正阻尼抑制方法[J]. 智能系统学报, 2018, 13(2): 322–326. 英文引用格式：LI Ming. Inhibition of oscillation using Doppler external velocity damping in navigation of unmanned submarine[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2018, 13(2): 322–326. Inhibition of oscillation using Doppler external velocity damping in navigation of unmanned submarine LI Ming (Navy Military Representative Office in Jinzhou, Jinzhou 121000, China) Abstract: In this paper, a method of oscillation inhibiting by using Doppler external velocity damping in unmanned submarine navigation is proposed in order to inhibit the effect of Schuler oscillation on the navigation accuracy of unmanned submarines. Unmanned Submarines often need to stay or navigate underwater for a long period of time because of their special working requirements, and cannot surface often in order to calibrate their position through GPS, due to the need of operating while hidden. When an unmanned submarine is used for a short period of time, the Schuler oscillation will not have a significant influence. However, when it navigates for a long time, the error produced by Schuler oscillation cannot be ignored. In order to solve this problem, this paper proposes an external velocity damping network. A weighted fusion algorithm for external velocity is proposed in order to obtain more accurate information on velocity. The results obtained by the comparison to a non-damping system through simulation experiments verified that the external velocity damping network could effectively inhibit the effect of Schuler oscillation on the system, when an unmanned submarine navigated for a long period of time. Keywords: unmanned submarine; inertial navigation systems; oscillation; Doppler effect; damping; velocity measurement; difference 近些年来，无人潜航器在海洋勘探等军事任务 中发挥着重要的作用。无人潜航器在执行任务时精 确的导航定位精度是其完成任务的保障。目前，无 人潜航器上普遍应用的导航系统为捷联式惯性导航 系统 (简称捷联惯导系统) 与其他导航系统的组合。 捷联惯导系统在长时间工作时会因为舒勒振荡 收稿日期：2016−12−30. 网络出版日期：2017−07−02. 基金项目：国家自然科学基金项目 (51679057). 通信作者：李明. E-mail：limingLM2016@163.com. 第 13 卷第 2 期 智 能 系 统 学 报 Vol.13 No.2 2018 年 4 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr. 2018
第2期 李明：无人潜航器DVL测速组合定位校正阻尼抑制方法 ·323· 而产生随时间积累的误差，进而影响导航系统的精 潜航器导航中的应用。 度。对于应用时间较短的导航系统，如导弹、飞机 上的惯导系统等，其误差累积并不严重。但是对于 1无人潜航器建模 无人潜航器尤其是有军事用途的无人潜航器而言， 无人潜航器建模是对其进行导航定位控制的基 有着长航时和隐蔽性的工作要求。因此，由舒勒振 础。根据应用习惯分别用i系、e系、n系、b系来代表 荡引起的累积误差会对长航时工作的无人潜航器导 几种典型的导航坐标系，即地心惯性坐标系、地心 航精度产生较大的影响。 地固坐标系、导航坐标系、载体坐标系，方便于下 针对以上问题，国内外学者提出，捷联惯导系 面对于无人潜航器模型的推导。根据捷联惯导原 统阻尼分为内阻尼和外阻尼两种方式，利用GPS、 理可以得到姿态、速度、位置的更新方程如下。 多普勒等提供的速度量测信息对系统阻尼，称为外 捷联惯导系统用于导航解算的速度方程为 阻尼方式。利用捷联惯导系统自身测得的速度进行 Vs=f+(2wiesinL+V:tan L/R)Vy- 航行器姿态速度的估计引入系统进行阻尼控制，称 (20ecosL+V,/R).V: 为内阻尼方式。较多文献集中在运用内阻尼方式进 V,f-(20iesinL+V,tan L/R).V,- (1) 行系统误差抑制，杜亚玲等山在捷联惯导系航姿系 V,V:/R 统的模糊内阻尼算法研究中，将传统的平台内阻尼 式中w是地球自转角速度。 思想引入到捷联惯性航姿系统中，在数学平台上实 捷联惯导系统用于姿态更新的微分方程为 现阻尼网络，采用模糊内阻尼系统，较为简单地保 CB=Cpa (2) 证系统运行的实时性：李魁将惯导系统速度作为 式中：C是无人潜航器相对于载体坐标系转换到导 参数引入水平通道控制回路，利用模糊控制器估计 航坐标系的转换矩阵，在载体坐标系下，导航坐标 系统的实时速度，设计了二阶阻尼网络达到了抑制 系相对于载体坐标系的旋转角速度ω为 误差的目的：姜璐1在舰船惯性导航系统自适应阻 wb=w品-wn=w品-Cw 尼网络控制中，设计了一种单通道水平网络自适应 是在载体坐标系下，地心惯性坐标系相对于 控制系统，以定位误差的振荡峰值作为自适应控制 载体坐标系的旋转角速度，在导航坐标系下，地心 的目标函数，确立了阻尼网络的阻尼系数关于加速 惯性坐标系相对于导航坐标系的旋转角速度w为 度变化量的优化函数。 Wi=wi+wen 以上提到的各种内阻尼与无阻尼系统有较好的 是在导航坐标系下，地心惯性坐标系相对于 效果，但由于捷联惯导系统本身就存在一定的误 地心固定坐标系的旋转角速度，ω是在导航坐标系 差，因而未引入外速度信息补偿系统误差，不能达 下，地心固定坐标系相对于导航坐标系的旋转角速度。 到较高精度系统的需求。吴晓提出了采用水平阻 根据捷联惯导中，导航坐标系与地球坐标系的 尼、方位阻尼、外速度阻尼进行误差抑制的方法，对 关系可得到捷联惯导系统的位置更新方程： 水平阻尼和方位阻尼分别进行了网络结构和网络参 数设计，但文中主要针对的是惯性测量组件随机漂 (3) 移引起的发散误差对系统的影响，起到了误差抑制 R cosL 的效果，但没有考虑长航时舒勒振荡对系统的影 式中：L、λ为经纬度，V和V,分别表示无人潜航器的 响。方国强等提出将内水平阻尼与外速度阻尼结 东向速度和北向速度，且Rn=R(1+esin2L)+h,Rm= 合的方法针对水面舰船的惯导系统进行改进，本文 R(1-2e+3esin'L)+h分别表示无人潜航器所在位置 在此基础上针对水下无人航行器的特点对外速度阻 地球曲率半径。 尼进行改进，并引入加权融合外速度算法的概念， 式(1)(3)分别为无人潜航器的姿态更新方程 使得引入阻尼的外速度更加准确。 速度更新方程以及位置更新方程。它们是研究捷联 多普勒外速度阻尼网络是通过将多普勒测得的 惯导系统以及多普勒外速度阻尼在无人潜航器中应 外速度信息进行加权融合求得更准确的速度信息 后，引入无人潜航器导航控制中，达到既能对无人 用的基础。接下来将分析舒勒振荡对于无人潜航器 潜航器阻尼又能对速度和加速度产生的误差进行补 导航的影响。 偿的效果。因此针对具有特殊任务需要长时间航行 2舒勒振荡的产生及对无人潜航器的 的无人潜航器，本文将从抑制舒勒振荡的角度，抑 影响 制长时间运行于无人潜航器上的捷联惯导系统的误 差累积问题。阐述了多普勒外速度阻尼系统在无人 舒勒教授在研究罗经的加速度误差时发现，如
而产生随时间积累的误差，进而影响导航系统的精 度。对于应用时间较短的导航系统，如导弹、飞机 上的惯导系统等，其误差累积并不严重。但是对于 无人潜航器尤其是有军事用途的无人潜航器而言， 有着长航时和隐蔽性的工作要求。因此，由舒勒振 荡引起的累积误差会对长航时工作的无人潜航器导 航精度产生较大的影响。 针对以上问题，国内外学者提出，捷联惯导系 统阻尼分为内阻尼和外阻尼两种方式，利用 GPS、 多普勒等提供的速度量测信息对系统阻尼，称为外 阻尼方式。利用捷联惯导系统自身测得的速度进行 航行器姿态速度的估计引入系统进行阻尼控制，称 为内阻尼方式。较多文献集中在运用内阻尼方式进 行系统误差抑制，杜亚玲等[1]在捷联惯导系航姿系 统的模糊内阻尼算法研究中，将传统的平台内阻尼 思想引入到捷联惯性航姿系统中，在数学平台上实 现阻尼网络，采用模糊内阻尼系统，较为简单地保 证系统运行的实时性；李魁[2]将惯导系统速度作为 参数引入水平通道控制回路，利用模糊控制器估计 系统的实时速度，设计了二阶阻尼网络达到了抑制 误差的目的；姜璐[3]在舰船惯性导航系统自适应阻 尼网络控制中，设计了一种单通道水平网络自适应 控制系统，以定位误差的振荡峰值作为自适应控制 的目标函数，确立了阻尼网络的阻尼系数关于加速 度变化量的优化函数。 以上提到的各种内阻尼与无阻尼系统有较好的 效果，但由于捷联惯导系统本身就存在一定的误 差，因而未引入外速度信息补偿系统误差，不能达 到较高精度系统的需求。吴晓[4]提出了采用水平阻 尼、方位阻尼、外速度阻尼进行误差抑制的方法，对 水平阻尼和方位阻尼分别进行了网络结构和网络参 数设计，但文中主要针对的是惯性测量组件随机漂 移引起的发散误差对系统的影响，起到了误差抑制 的效果，但没有考虑长航时舒勒振荡对系统的影 响。方国强等[5]提出将内水平阻尼与外速度阻尼结 合的方法针对水面舰船的惯导系统进行改进，本文 在此基础上针对水下无人航行器的特点对外速度阻 尼进行改进，并引入加权融合外速度算法的概念， 使得引入阻尼的外速度更加准确。 多普勒外速度阻尼网络是通过将多普勒测得的 外速度信息进行加权融合求得更准确的速度信息 后，引入无人潜航器导航控制中，达到既能对无人 潜航器阻尼又能对速度和加速度产生的误差进行补 偿的效果。因此针对具有特殊任务需要长时间航行 的无人潜航器，本文将从抑制舒勒振荡的角度，抑 制长时间运行于无人潜航器上的捷联惯导系统的误 差累积问题。阐述了多普勒外速度阻尼系统在无人 潜航器导航中的应用。 1 无人潜航器建模 i e n b 无人潜航器建模是对其进行导航定位控制的基 础。根据应用习惯分别用 系、 系、 系、 系来代表 几种典型的导航坐标系，即地心惯性坐标系、地心 地固坐标系、导航坐标系、载体坐标系[6] ，方便于下 面对于无人潜航器模型的推导。根据捷联惯导原 理 [7]可以得到姿态、速度、位置的更新方程如下。 捷联惯导系统用于导航解算的速度方程为 Vx = fx +(2ωiesinL+Vx tanL/Rn)·Vy− (2ωiecosL c +Vx/Rn)·Vz Vy = fy −(2ωiesinL+Vx tanL/Rn)·Vx− VyVz/Rm (1) 式中ωie是地球自转角速度。 捷联惯导系统用于姿态更新的微分方程为 C˙ n b = C n bω b nb (2) C n b ωb nb 式中： 是无人潜航器相对于载体坐标系转换到导 航坐标系的转换矩阵，在载体坐标系下，导航坐标 系相对于载体坐标系的旋转角速度 为 ωb nb = ωb ib−ωb in = ωb ib −C b nωn in ωb ib ωn in 是在载体坐标系下，地心惯性坐标系相对于 载体坐标系的旋转角速度，在导航坐标系下，地心 惯性坐标系相对于导航坐标系的旋转角速度 为 ωn in = ωn ie +ωn en ωn ie ωn en 是在导航坐标系下，地心惯性坐标系相对于 地心固定坐标系的旋转角速度， 是在导航坐标系 下，地心固定坐标系相对于导航坐标系的旋转角速度。 根据捷联惯导中，导航坐标系与地球坐标系的 关系可得到捷联惯导系统的位置更新方程： L˙ = Vy Rm λ˙ = Vx Rn cosL (3) L λ Vx Vy Rn = R(1+esin2 L)+h Rm = R(1−2e+3esin2 L)+h 式中： 、 为经纬度， 和 分别表示无人潜航器的 东向速度和北向速度，且 ， 分别表示无人潜航器所在位置 地球曲率半径。 式 (1)~(3) 分别为无人潜航器的姿态更新方程、 速度更新方程以及位置更新方程。它们是研究捷联 惯导系统以及多普勒外速度阻尼在无人潜航器中应 用的基础。接下来将分析舒勒振荡对于无人潜航器 导航的影响。 2 舒勒振荡的产生及对无人潜航器的 影响 舒勒教授在研究罗经的加速度误差时发现，如 第 2 期 李明：无人潜航器 DVL 测速组合定位校正阻尼抑制方法 ·323·
·324· 智能系统学报 第13卷 果陀螺具有84.4min的周期，它将保持在重力平衡 传感器可以获得无人潜航器的深度信息，通过姿态 位置，而不受运载体加速度的干扰。因而对于应用 传感器OCTANS可以得到艏向信息。 惯性导航系统的无人潜航器导航而言，若想使捷联 内阻尼网络是直接应用系统内部的量测信息通 惯导的数字平台稳定，就必须要使得系统满足舒勒 过网络设计达到提高系统性能的目的。不同于内阻 调整条件。对于较短时间航行的系统而言，不需要 尼的是外阻尼系统需要外部测量的信息对于捷联惯 考虑舒勒振荡对系统的影响，但对于长时间航行的 导系统进行辅助导航，从而抑制舒勒振荡引起的误 无人潜航器而言，这种影响是不可忽略的。 差，提高捷联惯导系统的导航精度。 J=ma*l 多普勒外速度阻尼网络是利用捷联惯导以外的 i、g = 1 多普勒传感器实时测得无人潜航器的运动速度信 Ra=a a=0 (4) 息。将测得的信息应用于惯性导航舒勒振荡所引发 的误差的阻尼修正，从而克服舒勒振荡对于长时间 R 航行的无人潜航器的导航误差累积影响。在引入内 I=R 阻尼的情况下，会改变系统的舒勒调整条件，为了 综合式(4)整理可得： 有效克服在引入内阻尼后所产生的误差，提出如下 T=2 R =84.4min (5) 引入加权融合的多普勒外速度阻尼网络的方法。通 过加权融合算法获得较为精确的外速度值，与系统 陀螺漂移是惯性导航系统误差的主要来源。它 内部计算得到的速度信息进行比较对系统进行阻 能够激励舒勒周期振荡。从而使得速度和位置产生 尼，来减小无人潜航器的加速度和速度对惯性系统 常值的误差分量。对于无人潜航器所应用的捷联惯 陀螺仪产生的误差。 导而言，陀螺仪所产生的常值误差对于经纬度误差 由于应用多普勒外速度与无人潜航器携带的捷 是随时间增长的，因而惯性系统的误差是随时间累 联惯导系统的内部推算速度的差值作为阻尼项对舒 积的误差。 勒振荡产生的误差修正，为了研究问题的简化本文 由于误差的累积，将使得导航定位的位置越来 在在静止基座条件下推导外速度阻尼网络的构成： 越偏离无人潜航器实际航行的位置。这对于在较窄 这与无人潜航器在运动时，利用外速度阻尼网络修 水域航行的无人潜航器将存在触碰损坏的很大危 正没有区别。 险。因而必须采取有效措施，抑制舒勒振荡对于长 将阻尼网络为[1-H,(s)的多普勒外速度阻尼网 时间航行的无人潜航器所产生的影响。 络加入到捷联惯导通道中形成多普勒外速度阻尼系 通过在舒勒回路串联水平阻尼网络可以抑制部 统，系统网络如图1所示。 分舒勒周期振荡产生的误差。但是这种内阻尼抑制 误差的方法会使得系统不在满足舒勒调整条件，也 就是当无人潜航器以一定加速度运动时，由于加速 V(x 度的存在，会使得系统产生误差，而且误差会随着 L(s) 加速度的增大而增大，而多普勒外速度阻尼网络通 过外部测得的速度信息对捷联惯导系统进行辅助， BV (x) 可以有效解决这个问题。 3多普勒外速度阻尼网络 图1多普勒速度单通道水平外阻尼系统方框图 Fig.1 Block diagram of single channel horizontal external 在本文考虑的捷联惯导系统与其他系统组合的 damping system with Doppler velocity 导航系统中，无人潜航器可以通过多普勒测速仪得 本文对传统的外速度阻尼网络进行了改进，考 到外速度信息，为了得到更加精准的外测速度信 虑到多普勒在采集速度的过程中，会由于水下无人 息，通过两套多普勒测速仪的加权融合运算可以得 航行器的左右摇摆而使得测的速度不准确，因而采 到准确的结果。在水下运动的无人潜航器由于水下 取信息加权融合的方式在航行器两侧装上多普勒测 环境的特殊性，并不能一直处于平稳的水平状态 速声呐，根据无人潜航器的姿态实时判断，比较两 也就会使得多普勒测得的速度不准确，甚至可能测 个多普勒测速仪的信息V和V2,并且确定α和B的 不到外速度，采用这种两套多普勒测速仪加权融合 值，其中α和B的和为1，加入到外速度阻尼网络中。如 的算法可以有效地避免这种问题。另外，通过压力 无人潜航器出现大角度翻转时，一套多普勒测速仪
果陀螺具有 84.4 min 的周期，它将保持在重力平衡 位置，而不受运载体加速度的干扰。因而对于应用 惯性导航系统的无人潜航器导航而言，若想使捷联 惯导的数字平台稳定，就必须要使得系统满足舒勒 调整条件。对于较短时间航行的系统而言，不需要 考虑舒勒振荡对系统的影响，但对于长时间航行的 无人潜航器而言，这种影响是不可忽略的。 Jθ¨ = ma ∗ l θ¨ = ma J l = a l Ra¨ = a a¨ = θ¨ a l = a R l = R (4) 综合式 (4) 整理可得： T = 2π √ R g = 84.4min (5) 陀螺漂移是惯性导航系统误差的主要来源。它 能够激励舒勒周期振荡。从而使得速度和位置产生 常值的误差分量。对于无人潜航器所应用的捷联惯 导而言，陀螺仪所产生的常值误差对于经纬度误差 是随时间增长的，因而惯性系统的误差是随时间累 积的误差[8]。 由于误差的累积，将使得导航定位的位置越来 越偏离无人潜航器实际航行的位置。这对于在较窄 水域航行的无人潜航器将存在触碰损坏的很大危 险。因而必须采取有效措施，抑制舒勒振荡对于长 时间航行的无人潜航器所产生的影响。 通过在舒勒回路串联水平阻尼网络可以抑制部 分舒勒周期振荡产生的误差。但是这种内阻尼抑制 误差的方法会使得系统不在满足舒勒调整条件，也 就是当无人潜航器以一定加速度运动时，由于加速 度的存在，会使得系统产生误差，而且误差会随着 加速度的增大而增大，而多普勒外速度阻尼网络通 过外部测得的速度信息对捷联惯导系统进行辅助， 可以有效解决这个问题。 3 多普勒外速度阻尼网络 在本文考虑的捷联惯导系统与其他系统组合的 导航系统中，无人潜航器可以通过多普勒测速仪得 到外速度信息，为了得到更加精准的外测速度信 息，通过两套多普勒测速仪的加权融合运算可以得 到准确的结果。在水下运动的无人潜航器由于水下 环境的特殊性，并不能一直处于平稳的水平状态， 也就会使得多普勒测得的速度不准确，甚至可能测 不到外速度，采用这种两套多普勒测速仪加权融合 的算法可以有效地避免这种问题。另外，通过压力 传感器可以获得无人潜航器的深度信息，通过姿态 传感器 OCTANS 可以得到艏向信息。 内阻尼网络是直接应用系统内部的量测信息通 过网络设计达到提高系统性能的目的。不同于内阻 尼的是外阻尼系统需要外部测量的信息对于捷联惯 导系统进行辅助导航，从而抑制舒勒振荡引起的误 差，提高捷联惯导系统的导航精度。 多普勒外速度阻尼网络是利用捷联惯导以外的 多普勒传感器实时测得无人潜航器的运动速度信 息。将测得的信息应用于惯性导航舒勒振荡所引发 的误差的阻尼修正，从而克服舒勒振荡对于长时间 航行的无人潜航器的导航误差累积影响。在引入内 阻尼的情况下，会改变系统的舒勒调整条件，为了 有效克服在引入内阻尼后所产生的误差，提出如下 引入加权融合的多普勒外速度阻尼网络的方法。通 过加权融合算法获得较为精确的外速度值，与系统 内部计算得到的速度信息进行比较对系统进行阻 尼，来减小无人潜航器的加速度和速度对惯性系统 陀螺仪产生的误差。 由于应用多普勒外速度与无人潜航器携带的捷 联惯导系统的内部推算速度的差值作为阻尼项对舒 勒振荡产生的误差修正，为了研究问题的简化本文 在在静止基座条件下推导外速度阻尼网络的构成， 这与无人潜航器在运动时，利用外速度阻尼网络修 正没有区别[7]。 [ 1−Hy (s) ] 将阻尼网络为 的多普勒外速度阻尼网 络加入到捷联惯导通道中形成多普勒外速度阻尼系 统，系统网络如图 1 所示。 1 s 1 s 1 s −1 R −1 R 1 s −1 R 1 s Hy (s) 1−Hy (s) g + − + + + + + Lx (s) Vy (x) Vy (s) αVy1 (x) βVy2(x) α(s) Φx (s) θx (s) 图 1 多普勒速度单通道水平外阻尼系统方框图 Fig. 1 Block diagram of single channel horizontal external damping system with Doppler velocity Vy1 Vy2 α β α β 本文对传统的外速度阻尼网络进行了改进，考 虑到多普勒在采集速度的过程中，会由于水下无人 航行器的左右摇摆而使得测的速度不准确，因而采 取信息加权融合的方式在航行器两侧装上多普勒测 速声呐，根据无人潜航器的姿态实时判断，比较两 个多普勒测速仪的信息 和 ，并且确定 和 的 值，其中 和 的和为 1，加入到外速度阻尼网络中。如 无人潜航器出现大角度翻转时，一套多普勒测速仪 ·324· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷
第2期 李明：无人潜航器DVL测速组合定位校正阻尼抑制方法 ·325· 测得的速度信息将不再是对底部的信息，此时令此 0.5 外阻尼-一无阻尼 套多普勒测速仪测得的速度信息的系数为0，而有 0.4 效多普勒测得的系数为1，上述提到的为特殊情况， 0.2 0.1 当无人潜航器在正常航行时，认为两套多普勒系统 -0.1 0 1012 均为有效，此时分配给它们的权值系数α和B均为一半。 当不加阻尼时，可以令传递函数为1，即外测速 0.3 0.2 度阻尼对捷联惯导系统不起作用。而当需要引入外 0.1 速度阻尼时，传递函数不为1，外测速度将对系统产 0 -0.1 生影响。不加阻尼时，系统为无阻尼网络，满足舒 墨-02 10 12 勒调整条件，就不会对系统产生干扰，而当加入阻 尼系统之后，就会破坏原有系统的舒勒调整条件， 图2速度误差曲线 加入外速度阻尼对合理调整就会使得系统不再产生 Fig.2 Velocity error curve 误差，消除加速度对系统的干扰。 根据图1有： 羚 一外阻尼·无阻尼 0.1 a(s)=中(S)+L,(s)-0(s) (6) 0 AAAAAf 式中： -0.1 1012 0(s)=- 01 0 φ()=- ggo+amsg (7 -0.1 10 1 1 L()=- 1-,(s,句 -0.8 V(s)=V,(s)+6[aV(s)+BV,2(s)] (8) -1.0 -1.2 将式(6)(8)整理得 6 1012 t/h a)= aV(+BV [1-H,(s]s (9) 图3姿态误差曲线 式(9)表明，a(s)与速度V,(s)和加速度立，(s)均无 Fig.3 Attitude error curve 关，(s)只与外速度误差daV(s)+BV2(s]有关，并 一外阻尼·无阻尼 0.4 且会随着外速度误差的增加而增加，因而有效抑制 了系统自身的速度与加速度对于系统的影响，通过 1 加权融合得到的更加精确的外速度信息，使得系统 10 补偿更加精确。 4仿真分析 15 经过和无阻尼工作方式的对比可以发现，多普 勒外速度阻尼工作方式的明显优势，可以有效抑制 捷联惯导系统的舒勒振荡误差，从而提高系统的精 6 10 1 度。对于长时间在水下航行的无人潜航器而言，这 tlh 种精确的导航系统可以提高其水下作业的安全性。 图4位置误差曲线 通过与无阻尼状态的对比，可以说明有阻尼状 Fig.4 Position error curve 态的优势。从仿真曲线中个可以看出，无人潜器的 姿态误差、速度误差以及位置误差均存在振荡并且 5结束语 发散的情况。而加入外速度阻尼后的系统，虽然在 本文提出的这种多普勒外速度阻尼系统，对于 开始阶段存在振荡，但是振荡不断减小。姿态误差 传统的应用于无人潜航器上的捷联惯导系统的改 与速度误差稳定收敛于零值附近，而位置误差也比 进，更加适用于长时间航行的有作战任务的无人潜 无阻尼状态稳定，因而本文提出的DVL测速组合 航器的运行。并对于传统的外速度阻尼改进，采用 定位方法可以有效抑制阻尼振荡。 输入信息加权融合的方式，使得输入信息更加准
α β 测得的速度信息将不再是对底部的信息，此时令此 套多普勒测速仪测得的速度信息的系数为 0，而有 效多普勒测得的系数为 1，上述提到的为特殊情况， 当无人潜航器在正常航行时，认为两套多普勒系统 均为有效，此时分配给它们的权值系数 和 均为一半。 当不加阻尼时，可以令传递函数为 1，即外测速 度阻尼对捷联惯导系统不起作用。而当需要引入外 速度阻尼时，传递函数不为 1，外测速度将对系统产 生影响。不加阻尼时，系统为无阻尼网络，满足舒 勒调整条件，就不会对系统产生干扰，而当加入阻 尼系统之后，就会破坏原有系统的舒勒调整条件， 加入外速度阻尼对合理调整就会使得系统不再产生 误差，消除加速度对系统的干扰。 根据图 1 有： α(s) = ϕx(s)+ Lx(s)−θx(s) (6) 式中： θx(s) = − 1 s 2R V˙ y(s) ϕx(s) = − Hy(s) s 2R [ V˙ y(s)+α(s)g ] Lx(s) = − 1 sR [ 1− Hy(s) ] Vyy(s) (7) Vyy(s) = Vy(s)+δ [ αVy1(s)+βVy2(s) ] (8) 将式 (6)~(8) 整理得 α(s) = − [ 1− Hy(s) ] s R [ s 2 + Hy(s)ωs 2 ] δ [ αVy1(s)+βVy2(s) ] (9) α(s) Vy(s) V˙ y(s) α(s) δ [ αVy1(s)+βVy2(s) ] 式 (9) 表明， 与速度 和加速度 均无 关， 只与外速度误差 有关，并 且会随着外速度误差的增加而增加，因而有效抑制 了系统自身的速度与加速度对于系统的影响，通过 加权融合得到的更加精确的外速度信息，使得系统 补偿更加精确。 4 仿真分析 经过和无阻尼工作方式的对比可以发现，多普 勒外速度阻尼工作方式的明显优势，可以有效抑制 捷联惯导系统的舒勒振荡误差，从而提高系统的精 度。对于长时间在水下航行的无人潜航器而言，这 种精确的导航系统可以提高其水下作业的安全性。 通过与无阻尼状态的对比，可以说明有阻尼状 态的优势。从仿真曲线中个可以看出，无人潜器的 姿态误差、速度误差以及位置误差均存在振荡并且 发散的情况。而加入外速度阻尼后的系统，虽然在 开始阶段存在振荡，但是振荡不断减小。姿态误差 与速度误差稳定收敛于零值附近，而位置误差也比 无阻尼状态稳定，因而本文提出的 DVL 测速组合 定位方法可以有效抑制阻尼振荡。 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 −0.1 0.3 0.2 0.1 0 −0.1 −0.2 ͈ऽ䕋Ꮢ䄛ጚ/㞮 ࡃऽ䕋Ꮢ䄛ጚ㞮 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 t/h โ䭧ᅨ ᬌ䭧ᅨ 图 2 速度误差曲线 Fig. 2 Velocity error curve 0.1 0 −0.1 0.1 0 −0.1 −0.8 −1.0 −1.2 ㏡ᥳ㻾䄛ጚ 㻾ܲ ὖᥳ㻾䄛ጚ 㻾ܲ 㝖ऽ㻾䄛ጚ 㻾ܲ โ䭧ᅨ ᬌ䭧ᅨ 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 t/h 图 3 姿态误差曲线 Fig. 3 Attitude error curve 0.4 0.3 0.2 0.1 0 ㏘Ꮢ䄛ጚ −0.1 ⊣䛸 ㏻Ꮢ䄛ጚ ⊣䛸 ѹ㒚䄛ጚ ⊣䛸 โ䭧ᅨ ᬌ䭧ᅨ 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 3 2 1 0 3 2 1 0 t/h 图 4 位置误差曲线 Fig. 4 Position error curve 5 结束语 本文提出的这种多普勒外速度阻尼系统，对于 传统的应用于无人潜航器上的捷联惯导系统的改 进，更加适用于长时间航行的有作战任务的无人潜 航器的运行。并对于传统的外速度阻尼改进，采用 输入信息加权融合的方式，使得输入信息更加准 第 2 期 李明：无人潜航器 DVL 测速组合定位校正阻尼抑制方法 ·325·
·326· 智能系统学报 第13卷 确。通过仿真试验验证了，所设计的多普勒外速度 学技术，2013,35(5)：62-64， 阻尼网络的有效性，可以有效抑制舒勒振荡对系统 FANG Guoqiang,WU Hongyue.The damp inertial naviga- 的影响。 tion system under the outside speed compensation[J].Ship science and technology,2013,35(5):62-64. 参考文献： [6]张宏德.微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013：24-27. [1]杜亚玲，刘建业，刘瑞华，等.捷联惯性航姿系统中的模糊 ZHANG Hongde.Research of mini UUV integrated naviga- 内阻尼算法研究).南京航空航天大学学报，2005,37(3)： tion technology for ocean surveying and detecting[D].Har- 274-278 bin:Harbin Engineering University,2013:24-27. DU Yaling,LIU Jianye,LIU Ruihua,et al.Fuzzy damped [)黄德鸣，程禄.惯性导航系统M.北京：国防工业出版社 algorithm in strapdown attitude heading reference system[J]. 1986:122-125. Journal of Nanjing university of aeronautics and astronaut- [8]陈哲.捷联惯导系统原理[M].北京：宇航出版社，1986： ics.2005,37(3:274-278 1-247. [2]李魁，张京娟，刘芳.长航时惯导系统的模糊控制内阻尼 [9]王奎民.主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 算法U.哈尔滨工程大学学报，2012.33(4)：485-488 [).智能系统学报，2015,10(2)：316-323. LI Kui,ZHANG Jingjuan,LIU Fang.A fuzzy control in- WANG Kuimin.Influence of main ocean environments on ternal damping algorithm in a long-endurance inertial navig- the navigation of underwater vehicles[J].CAAI transactions ation system[J].Journal of Harbin engineering university, on intelligent systems,2015,10(2):316-323. 2012,33(4):485-488. [1O]于玖成，何昆鹏，王晓雪.SINS/DVL组合导航系统的标 [3]姜璐，于运治，陈勇.舰船惯性导航系统自适应阻尼网络 定).智能系统学报，2015,10(1少143-148. 设计[.电光与控制，2014,21(4)：52-55,96. YU Jiucheng,HE Kunpeng,WANG Xiaoxue.Calibration JIANG Lu,YU Yunzhi,CHEN Yong.An adaptive-damp- for strapdown inertia navigation/Doppler velocity log in- ing network designed for inertial navigation system of tegrated navigation system[J].CAAI transactions on intelli- ships[J].Electronics optics and control,2014,21(4):52-55, gent systems,2015,10(1)y143-148. 96. 作者简介： [4]吴晓.长航时高精度捷联惯导系统误差抑制技术研究[D] 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012：1-89 李明，男，1971年出生，高级工程 师，主要研究方向为舰船总体。 WU Xiao.Research on long-duration high-accuracy error inhibiting technology of strapdown inertial navigation sys- tem[D].Harbin:Harbin Engineering University,2012: 1-89. [⑤]方国强，吴宏悦.外速度补偿的阻尼惯导系统刀.舰船科
确。通过仿真试验验证了，所设计的多普勒外速度 阻尼网络的有效性，可以有效抑制舒勒振荡对系统 的影响。 参考文献： 杜亚玲, 刘建业, 刘瑞华, 等. 捷联惯性航姿系统中的模糊 内阻尼算法研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2005, 37(3): 274–278. DU Yaling, LIU Jianye, LIU Ruihua, et al. Fuzzy damped algorithm in strapdown attitude heading reference system[J]. Journal of Nanjing university of aeronautics and astronautics, 2005, 37(3): 274–278. [1] 李魁, 张京娟, 刘芳. 长航时惯导系统的模糊控制内阻尼 算法[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2012, 33(4): 485–488. LI Kui, ZHANG Jingjuan, LIU Fang. A fuzzy control internal damping algorithm in a long-endurance inertial navigation system[J]. Journal of Harbin engineering university, 2012, 33(4): 485–488. [2] 姜璐, 于运治, 陈勇. 舰船惯性导航系统自适应阻尼网络 设计[J]. 电光与控制, 2014, 21(4): 52–55, 96. JIANG Lu, YU Yunzhi, CHEN Yong. An adaptive-damping network designed for inertial navigation system of ships[J]. Electronics optics and control, 2014, 21(4): 52–55, 96. [3] 吴晓. 长航时高精度捷联惯导系统误差抑制技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012: 1–89. WU Xiao. Research on long-duration high-accuracy error inhibiting technology of strapdown inertial navigation system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012: 1–89. [4] [5] 方国强, 吴宏悦. 外速度补偿的阻尼惯导系统[J]. 舰船科 学技术, 2013, 35(5): 62–64. FANG Guoqiang, WU Hongyue. The damp inertial navigation system under the outside speed compensation[J]. Ship science and technology, 2013, 35(5): 62–64. 张宏德. 微小型观探测 UUV 水下组合导航技术的研究 [D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2013: 24–27. ZHANG Hongde. Research of mini UUV integrated navigation technology for ocean surveying and detecting[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2013: 24–27. [6] 黄德鸣, 程禄. 惯性导航系统[M]. 北京: 国防工业出版社, 1986: 122–125. [7] 陈哲. 捷联惯导系统原理[M]. 北京: 宇航出版社, 1986: 1–247. [8] 王奎民. 主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 [J]. 智能系统学报, 2015, 10(2): 316–323. WANG Kuimin. Influence of main ocean environments on the navigation of underwater vehicles[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2015, 10(2): 316–323. [9] 于玖成, 何昆鹏, 王晓雪. SINS/DVL 组合导航系统的标 定[J]. 智能系统学报, 2015, 10(1): 143–148. YU Jiucheng, HE Kunpeng, WANG Xiaoxue. Calibration for strapdown inertia navigation/Doppler velocity log integrated navigation system[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2015, 10(1): 143–148. [10] 作者简介： 李明，男，1971 年出生，高级工程 师，主要研究方向为舰船总体。 ·326· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷