论文总字数：35111字

摘 要

随着海底导航任务的多样化，单一的导航技术已难以满足实际需求。为了解决这一问题，水下组合导航技术将不同导航方案结合起来，使用多个导航系统同时对水下潜器进行运动监测，并对导航结果进行综合分析，以弥补单种导航技术的缺陷，得到相对精确的导航结果。本文旨在研究水下组合导航系统，以捷联惯导系统为基础，构建基于地形辅助的水下组合导航系统框架。本文的主要工作包括以下部分。

（1）分析了惯性导航系统的原理，建立了陀螺仪和加速度计误差模型，并推导了惯性导航系统的误差方程，为后续的组合导航方法研究奠定了基础。

（2）针对捷联惯导系统误差随时间累积，不具有长时间海底航行能力的缺陷，采用地形辅助导航系统修正其累积误差，达到精确导航的目的。选用TERCOM算法作为地形辅助导航系统的核心，主要讨论了TERCOM算法的主要原理与运行框架，并提出以相似地形剖面之间的分散程度作为指标来保证TERCOM算法的有效性的改进方法。

（3）研究了海底数字高程地图的建立过程，分析了常用的地图插值方法，并在Matlab平台上进行了实验仿真。通过实验分析了各项参数对TERCOM算法的影响，并证明改进后的TERCOM算法可有效降低地形匹配误判率，进一步提高组合系统的匹配精度。

通过理论分析与综合仿真，本文证明了所建立的水下组合导航系统可进一步提高水下定位精度。

关键词：捷联惯导系统，TERCOM算法，地形匹配，相似剖面，水下组合导航

ABSTRACT

With the diversification of submarine navigation tasks, a single navigation technology is difficult to meet the actual needs. In order to solve this problem, the underwater integrated navigation technology combines different navigation solutions, using multiple navigation systems to simultaneously monitor the underwater vehicle and comprehensively analyzing the navigation results to compensate for the defects of the single navigation technology and get relatively accurate navigation results. This paper aims to study the underwater integrated navigation system. Based on the strapdown inertial navigation system, the underwater integrated navigation system framework based on terrain-aided navigation system is constructed. The main work of this article includes the following sections:

(1) The principle of the inertial navigation system is analyzed, the error model of the gyroscope and accelerometer is established, and the error equation of the inertial navigation system is deduced, which lays the foundation for the subsequent research on the integrated navigation method.

(2) In view of the accumulative error of strapdown inertial navigation system over time and the lack of long-season navigation capability, terrain-aided navigation systems are used to correct the cumulative error and achieve accurate navigation. The TERCOM algorithm is chosen as the core of the terrain-aided navigation system. The main principles and operation framework of the TERCOM algorithm are mainly discussed, and an improved method is proposed to ensure the effectiveness of the TERCOM algorithm by using the degree of dispersion between similar terrain profiles as an indicator.

(3) The establishment process of the digital sea level elevation map is studied, and the commonly used map interpolation methods are analyzed. Experiment simulations are performed on the Matlab platform. The effects of various parameters on the TERCOM algorithm are analyzed through experiments, and it is proved that the improved TERCOM algorithm can effectively reduce the false matching rate of terrain matching and further improve the matching accuracy of the combined system.

Through theoretical analysis and comprehensive simulation, this paper proves that the established underwater integrated navigation system can further improve underwater positioning accuracy.

KEY WORDS: strapdown inertial navigation system, TERCOM, terrain matching similar profile, integrated underwater navigation system

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 水下组合导航系统的研究意义与背景 1

1.1.1 水下组合导航系统的研究意义 1

1.1.2 水下组合导航系统概况 1

1.1.3 水下组合导航系统的基本框架 2

1.2 水下组合导航系统的国内外发展历程与研究成果 3

1.2.1 自主水下潜器的历史沿革 3

1.2.2 水下组合导航技术的研究现状 4

1.3 本文的主要工作 4

1.4 本章小结 5

第二章 惯性导航系统原理 6

2.1 惯性导航系统分类 6

2.2 惯性导航系统常用参考坐标系 6

2.2.1 惯性坐标系（i系） 6

2.2.2 地球坐标系（e系） 7

2.2.3 地理坐标系（g系） 7

2.2.4 机体坐标系（b系） 7

2.3 各坐标系之间的关系与转换矩阵 7

2.3.1 大地坐标与地心直角坐标系的转换 7

2.3.2 地理坐标与地球坐标系的转换 8

2.4 捷联惯性导航数值更新算法 8

2.4.1 欧拉角法 9

2.4.2 四元数法 9

2.4.3 四元数与姿态矩阵的关系 10

2.4.4 四元数的微分方程 10

2.4.5 方向余弦法 11

2.4.6 数值更新算法的比较 11

2.5 捷联惯导系统流程与框架 12

2.6 捷联惯导误差描述 12

2.6.1 陀螺仪的误差描述 12

2.6.2 加速度计的误差描述 12

2.6.3 姿态误差方程 13

2.6.4 速度误差方程 13

2.6.5 位置误差方程 13

2.7 本章小结 14

第三章 水下地形辅助导航系统 15

3.1 数字地图的建立 15

3.2 水下地形辅助导航系统技术分析 16

3.3 TERCOM算法基本原理 17

3.4 TERCOM算法特征描述 18

3.5 相似地形对TERCOM算法的影响与改进方法 19

3.6 本章小结 20

第四章 水下组合导航算法仿真实验分析 21

4.1 海底地形插值 21

4.2 插值处理的几种方法 21

4.2.1 二次插值法 21

4.2.2 自然邻近点法 22

4.2.3 克里金法 22

4.2.4 距离倒数加权法 22

4.3 TERCOM算法参数对定位精度的影响 23

4.3.1 理想地理环境下TERCOM算法的仿真实验 23

4.3.2 网格大小对仿真算法的影响 24

4.3.3 采样次数对仿真算法的影响 25

4.4 卡尔曼滤波 27

4.4.1 卡尔曼状态方程 27

4.4.2 卡尔曼滤波的量测矩阵 28

4.4.3 卡尔曼滤波过程 28

4.5 水下组合导航系统的仿真 28

4.6 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 全文总结 31

5.2 未来展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

水下组合导航系统的研究意义与背景

水下组合导航系统的研究意义

地球陆地资源的紧张导致人类对海洋资源的需求日益增加。对海洋环境的探索与资源的利用将是一个国家乃至人类发展必须要面对的关键问题。自主水下潜器（Autonoums Unterwater Vehicle，AUV）作为人类进一步认识海洋与了解海洋的工具，其通信、控制、能源、导航等方面的问题是制约人类开发海底资源的又一大障碍。

自主水下潜器已被证明在多个领域拥有监测海洋运动与环境的能力：在军事领域，AUV可探测浅海雷区，支援潜艇作战，在当前信息化战争形态的成熟过程中发挥着情报传递的重要作用；在环境保护领域，AUV可监测水下环境污染，也作用于水下管道和通信光缆的铺设与维护；在学术领域，AUV对于海底地形的探测极大地推动了地球数据库的建立与完善，在地质探测与矿藏勘察方面也扮演着不可替代的角色。随着人类向海洋寻求未来新发展的脚步加快，提升AUV自主精确导航能力是AUV研究领域的重中之重。

水下组合导航系统概况

为了完成导肮任务，系统需要提取载体的俯仰角、航向角、横滚角、速度、加速度、角速率等等信息。目前成熟的水下导航方式分为惯性导航、声学导航与地球物理导航三种方式。

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