导航未来 | 惯性导航技术在水面无人系统的应用- 大数跨境

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导航未来 | 惯性导航技术在水面无人系统的应用

利科夫惯性导航

2024-08-12

无人水面艇（Unmanned Surface Vessel，简称USV），是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一般应用于侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察等。

一、USV惯性导航技术

1）无人水面艇 USV的导航技术要求USV能够在海上自主航行,并且能够适应复杂的海上环境和恶劣的气象状况,因此，需要具备良好的可靠性以及抗干扰的能力。

2）USV在不同的航行阶段,所需的导航和定位精度不同。比如，USV出入港口码头或者是靠岸停泊时,导航定位精度必须达到分米级别才能保证航行停泊安全。但是单纯地依靠惯导技术是无法满足长航时的高精度导航需求的。因此,还需要利用辅助设备以及环境感知系统来辅助USV的惯性导航系统,以保证满足USV导航定位的精确性需求。

二、捷联惯性/卫星组合导航

1）将捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）与卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）相结合，基本能够满足上述USV对于导航定位精度的需求。

图为四大全球卫星导航系统（GNSS）

军用USV的导航技术尤其重视安全性和可靠性,因此,还要求军用USV的捷联惯性/卫星组合导航系统安装高精度的惯导设备。

2）SINS/GNSS组合导航方式及优缺点

SINS与 GNSS 的组合导航主要有三种模式：松组合、紧组合、深组合。

a) 松组合，简单实用，便于实现。在 GNSS 正常工作时，将 SINS 与其位置、速度之差作为量测信息送入卡尔曼滤波器(Kalman Filter, KF )，然后通过滤波器估计并校正 SINS 误差。系统流程如下图所示:

b）紧组合，是利用伪距、伪距率进行组合。伪距、伪距率为 GPS 接收机给出的信息， SINS 无法直接给出，因此需要根据 SINS 输出位置和速度信息，结合 GPS 接收的星历信息，计算出相应于 SINS 的伪距、伪距率，然后将两个系统伪距、伪距率的差值作为组合滤波器的输入。最后利用卡尔曼滤波器估计并反馈 SINS 误差，同时还对接收机钟差等参数进行估计。系统流程图如下图所示：

c）深组合，既有惯性导航和卫星导航技术的优点,又显著克服了两种导航技术的缺点，主要思想是具有反馈过程的紧组合,卫星导航信号依旧是压制惯导系统的误差累积,与紧组合不同的是惯导系统的导航信息又作为反馈信息用以辅助卫星导航的接收机,达到环路跟踪的效果。

三、USV惯性导航技术总结与展望

总体而言,USV的导航技术面临着两大难题：提高长时间航行精度和克服复杂恶劣的海洋环境,这对USV导航技术的导航精度和可靠性带来了巨大的挑战。因此,以惯性导航技术为基础,结合其他导航技术的组合导航技术,既拥有惯性导航技术可靠性高的优点,又可以对惯性导航技术所带的误差进行修正,进而提高精度,必将成为未来USV导航技术的发展趋势。