[发明专利]一种无人船多传感器数据融合的导航系统及其设计方法

说明书

本发明公开了一种无人船多传感器数据融合的导航系统及其设计方法，所述的导航系统包括全球定位系统数据采集单元、惯性导航系统数据采集单元、数据预处理单元、捷联解算单元、数据融合单元和输出单元。本发明采用基于非线性观测器的方法进行无人船的位置和速度状态估计，不仅简化了参数的调节过程，而且更加明确了所设计数据融合方法的收敛特性。本发明所提出的导航系统的数据融合方法不需要速度传感器的测量的速度信息，仅通过对位置和加速度信息的融合就能估计出无人船的位置和速度信息，不仅减少了传感器的使用，降低了成本，而且减少了传感器噪声干扰的多样性。本发明能够将带有测量噪声的测量信息有效整合，获得实际的位置和速度信息。

技术领域

本发明涉及无人船导航系统设计领域，尤其涉及一种针对无人船的多传感器数据融合的导航系统及其设计方法。

背景技术

水面无人船导航是研究水面无人船技术的重要内容，在水面无人船的应用中发挥着不可替代的作用。无人船导航就是无人船在外界环境中移动时，利用相关的传感器(雷达、惯性系统、全球卫星导航系统、磁罗盘、视觉传感器、计程仪等)获取无人船的位置、速度和姿态信息，然后确定移动的方向和速度。无人船的姿态信息获取是实现无人船的基本运动以及智能运动的关键，是保证海洋作业、海洋任务等安全进行的必要保证。

导航系统可以分为自主式导航和非自主式导航两种，自主式导航主要指惯性导航，不需要外界的参考信息，而非自主式导航正好相反，需要外界的参考信息，主要包括天文导航和卫星导航等。惯性导航的原理是通过牛顿力学定律对惯性测量器件(加速度计和陀螺仪)进行导航解算，得到载体的姿态。优点是精度高，不易受环境干扰，缺点是误差会随时间积累，不能长期有效导航；非自主式导航应用最多的是全球导航卫星系统，它的基本原理是通过轨道卫星提供的载波、伪距等信息得到载体姿态。优点是不存在积累误差，缺点是易受环境干扰。所以，单一的导航系统已经不能满足人们的需求，组合导航技术应运而生。

现阶段，国内外对于无人船姿态获取的研究主要集中于组合导航技术。组合导航技术就是利用多个传感器的信息应用数据融合算法得到更高精度的载体姿态信息。然而，现有的技术存在以下不足：第一，多种传感器的使用会使得噪声更加多样和复杂，目前通常使用的方法并没有考虑传感器测量数据的噪声干扰问题，不能有效克服多种传感器在不同环境下对系统造成的干扰，将会导致导航数据不够精确，可能造成严重后果；第二，现有无人船导航系统姿态获取的数据融合算法主要集中在与卡尔曼滤波器设计相关的方面，存在设计的导航系统计算量大、参数调节困难和收敛性质不明确等缺点。因此，尽可能减少传感器的使用，并且考虑测量噪声对数据融合的影响，通过基于非线性观测器的多传感器数据融合技术实现无人船导航系统能够获得实时的姿态信息是具有重要的应用价值。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的不足，本发明要提出一种不仅可以更好的提高数据的实时性和准确性，而且能够简化参数的调节过程、减小计算量、降低使用成本、明确导航系统收敛性的无人船多传感器数据融合的导航系统及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人船多传感器数据融合的导航系统，包括全球定位系统数据采集单元、惯性导航系统数据采集单元、数据预处理单元、捷联解算单元、数据融合单元和输出单元，所述的数据融合单元包括比较单元、比例单元1、加法单元1、比例单元2、旋转单元1、旋转单元2和加法单元2；