SINSDVL组合导航系统的DVL误差标定技术研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：
2. SINS/DVL组合导航国内外研究状况

声学多普勒测速仪(DVL)是利用声学多普勒原理来测量海底相对于载体的速度和深度，其基本原理是利用水声换能器向海底或海水介质发射特定频率的定向声脉冲信号（4个不同方向），并接收从海底或海水中声波散射体上反射的回波信号，通过分析4个波束回波信号的多普勒信息，从而得到海底或海水参考层相对运载器的速度和方向，以及运载器离海底或海水参考层的高度^[1]。

捷联惯导系统与多普勒计程仪可构成两种组合导航系统^[2]：

1. 利用捷联惯导输出的速度与多普勒计程仪输出速度之差作为观测量，利用现代控制理论(如卡尔曼滤波)估计捷联惯导的误差参数，而且在特定条件下，也可估计多普勒计程仪的部分误差，进而对捷联惯导的误差进行补偿。
2. 利用捷联惯导输出的航向、姿态信息以及多普勒计程仪输出的速度信息推算AUV相对于起始点的位置，即船位推算法。

由于组合导航可以在组合的过程中有效地估计惯性器件的误差(陀螺零偏、加速度计零偏)、部分多普勒测速误差参数，因此被认为优于航位推算方法。就水下 SINS/DVL 而言，组合导航技术就是将 SINS 与 DVL 耦合起来，主要利用卡尔曼滤波技术对位置、速度等导航参数进行综合处理，以达到提高惯性导航精度的目的，其基本原理如图 1 所示^[3]。

图1 水下捷联惯导系统/多普勒计程仪组合导航原理

水下 SINS/DVL 组合导航的耦合方式主要有松耦合和紧耦合 2 种。松耦合方式是将 DVL 波速测量转换成AUV的三维速度，然后将速度作为外部参考，与导航滤波器（通常是基于卡尔曼的滤波器）与 SINS 的对应项进行比较做融合处理；而紧耦合方式是将 DVL原始数据与SINS波速方向估计计算的速度等导航信息进行比较做融合处理。其中，DVL 原始数据是指多普勒声呐每个波束方向上的相对速度信息^[4]。2 种耦合方式的基本结构如图2所示。

1. 松耦合方式

1. 紧耦合方式

图2 水下SINS/DVL组合导航的耦合方式

松耦合方法的优点是集成简单，并且可以将任何现成的INS和任何DVL组合在一起。近年来，关于SINS/DVL组合导航的研究也多集中于松耦合组合方式，当下SINS/DVL组合导航方式也基本上是松耦合。但松耦合方法需要DVL必须在底部锁定状态下运行，即需确保有足够数量的光束测量（至少三个）可用。因此，针对只有部分DVL测量量可用的情况， Tal 和 Klein 等^[5]提出了一种扩展松耦合方法, 通过融合外部辅助信息与DVL 部分原始测量信息来估算载体速度, 进而与惯性导航系统给出的位置、速度等导航参数做数据融合处理。Liu等^[4]也针对该情况提出了一种基于有限DVL波束测量的INS/DVL/PS紧耦合方法，考虑了了四波束Janus配置的所有可能的不可用波束组合情况，方法简单，在AUV大多数任务场合均适用并有效。