基于GPS的水下导航算法误差仿真研究

　　引言

　　随着现代社会的发展,特别是军事领域对导航的精度提出了很高的要求,单一的导航系统都很难在复杂的环境下满足作战的要求,把几种导航系统或方法结合起来,增加系统的精度,形成最优的综合导航系统,成为了导航技术发展的趋势。本文的导航算法就是基于水下导航算法与GPS相结合的两种导航方法的集合。在水下导航算法中应用到了多传感器对水下参量的测算,传感器的精度的好坏直接影响到了算法精度的高低。

　　1　水下导航算法

　　本导航算法的系统组成主要包括GPS接收器、电子罗盘、水流传感器、控制系统等。系统组成如图1。导航算法的核心内容为航迹的预测,即运行器在水下航行时,接收不到GPS信号的情况下如何正确的预测自己的方位。将GPS与电子罗盘、水流传感器相结合,利用导航算法可以实时得到运行器的实际航速(大小和航向),也可以预测运行器的具体方位坐标。其精度也大大提高。

　　1.1　基本概念

　　为了更加清楚的阐述导航算法的原理,对几个概念做以下定义。

　　(1)相对航迹:运行器在不考虑海水流速的影响下,所行驶的轨迹。

　　(2)实际航迹:运行器在考虑了海水流速的影响下,所实际行驶的轨迹。

　　(3)相对航速:运行器相对于海水的运行速度,大小为水流传感器测得,方向为罗盘测得。

　　(4)实际航速:在考虑了海水流速的影响下,运行器的实际运行速度。

　　1.2　算法原理说明

　　1.2.1　学习阶段(水流的计算)

　　水下运行器开始工作后将天线露出水面,接收GPS信号,即为P0,再进入正常潜行,此时运行器的航向为起始点和目标点之间的直接方向。在水下航行时,在没有求出海水流速之前,无法利用算法进行准确的预测,这个时候利用电子罗盘给出运行器的航向,由于海水流速的影响,电子罗盘给出的航向会随着时间的推移,预测误差会越来越大。航行大概500m以后,将天线露出水面,接收GPS信号,即为P1,利用P0,P1这两个GPS点计算出水下运行器的实际航迹。在此航行过程中,利用电子罗盘、水流传感器测量运行器相对速度的大小和方向,以此计算出水下运行器的相对航迹。利用矢量求和算出海流轨迹,即求出了海水流速的大小和方向。

　　1.2.2　预测、校正误差阶段(水下导航)

　　在求出当前海域的海流速度以后,运行器可继续潜行,系统进行水下导航与定位过程。运行器在潜行时,系统根据已有的水下参量(如水流速度、运行器的相对运行速度等),结合电子罗盘的方向指示,由控制模块统一协调,完成数据同步,送给综合信息处理模块进行数据处理,预测、估算运行器的方位、运行方向和运行轨迹。