纬度未知条件下水下航行器初始对准技术研究
摘要
水下航行器(AutonomousUnderwaterVehicles,AUV)装备的捷联惯性导航系统(以下
)
简称捷联惯导系统在开始导航工作前必须要进行初始对准，以获得载体的初始姿态信
息，因此初始对准的速度和精度直接决定着捷联惯导系统的启动速度及导航精度。然而，
传统初始对准方法进行时需要外部设备提供纬度信息。当AUV所处的水下环境难以接
收定位信号时，传统初始对准方法将失效，因此亟需开展无纬度初始对准方法研究。目
前，关于纬度未知条件下的初始对准研究还不太成熟，现有无纬度初始对准方法主要应
用于静基座和摇摆基座条件，存在易受惯性传感器噪声干扰及基座扰动影响的不足，同
时航行状态下无纬度初始对准问题尚未得到有效解决。
本课题围绕快速准确完成无纬度条件下AUV的初始对准任务要求，分析了惯性传
感器的测量噪声及基座扰动对无纬度初始对准的影响机理，提出了针对静基座、摇摆基
座及航行状态下的无纬度初始对准方法，以实现水下复杂环境下AUV的无纬度初始对
准，主要研究内容如下：
1.针对纬度未知条件下静基座自对准问题，首先针对静基座下的“几何式纬度估计
方法”开展误差源分析；而后针对该纬度估计方法中的各项误差源，设计误差源的实时
估计及补偿方案，即利用解析式粗对准获得的姿态矩阵存在的误差特性从而估计得到各
误差源，以对纬度估计误差及惯性传感器的测量误差予以补偿，提升纬度估计精度；最
后依据该纬度信息及补偿误差后的惯性传感器测量信息，再次利用解析式粗对准完成静
基座下的自对准。所提对准方法的有效性通过仿真试验进行了验证。
2.针对纬度未知条件下摇摆基座自对准问题，首先分析了纬度对传统摇摆基座下的
()
对准方法多矢量优化式对准的精度影响，并基于重力视运动原理估计得到的纬度信息，
设计仿真试验评估多矢量优化式对准在纬度未知下的可行性，由此提出纬度未知下的新
式惯性系对准模型，将无纬度初始对准问题转化为Wahba姿态确定问题；然后针对重力
视运动估计纬度方法及对准模型中均涉及到的惯性凝固坐标系下重力矢量开展误差源
分析，提出采用实时小波降噪及自适应卡尔曼滤波算法(RWD-AKF)完成重力矢量的重构，
进而完成纬度估计及对准模型构建；最后采用阻尼高斯牛顿迭代方法求解Wahba姿态确
定问题，避免纬度估计误差导致的对准模型误差累积过程，提高无纬度下摇摆基座的对
准精度。所提摇摆基座无纬度对准方法的有效性和优越性通过仿真试验和转台双轴摇摆
实验进行了验证。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
3.针对纬度未知条件下航行状态自对准问题，提出了基于鲁棒自适应卡尔曼滤波
(RWD-RAKF)的无纬度自对准方案，通过对残差所占的权重进行自适应调整，设计RWD-
RAKF优化算法滤除航行状态下惯性凝固坐标系下重力矢量中的有害加速度信息，得到
近似满足摇摆基座条件下的重力矢量，从而将纬度未知条件下航行状态自对准简化为摇
摆基座无纬度对准问题。进一步，在此基础上，提出了一种基于卡尔曼滤波的闭环修正
式无纬度对准方法，解决了航行器机动期间陀螺仪的测量误差增大导致对准精度下降的
问题，提升航行状态下无纬度自对准精度。最后，通过三种典型运动条件下的湖面试验
验证了所提方法解决航行状态下无纬度自对准问题的有效性。
关键词：水下航行器；初始对准；纬度估计；鲁棒自适应卡尔曼滤波；阻尼高斯牛顿迭
代
纬度未知条件下水下航行器初始对准技术研究
Abstract
StrapdownInertialNavigationsystem(SINS)equippedwithAutonomousUnderwater
Vehicles(AUV)mustperforminitialalignmenttoobtaininitialattitudeinformationbefore
startingnavigationwork.Thus,thespeedandaccuracyoftheinitialali