流场特征动力学辅助的长期惯性导航

针对既无法频繁浮出水面也无法持续进行底跟踪的长时作业（>1 小时）小型自主水下航行器，提出了一种海流辅助惯性导航框架。我们通过中层水下导航实例化了这一概念。该策略通过将局部环境流速估计值与预加载的海洋海流图进行比较，减轻了传统惯性导航系统的航位推算不确定性。所提出的导航系统通过边缘化粒子滤波器实现，其中航行器状态与传感器偏差及一般流预测未解析的局部湍流一起被顺序跟踪。首先在两个人工背景流场中通过蒙特卡洛模拟分析了所提方法的性能，这些流场模拟了真实世界的海洋环流模式，并叠加了具有 Kolmogorov 能谱的小尺度湍流分量。即使存在未解析的小尺度流扰动，海流辅助导航方案也显著提高了航行器的航位推算性能。对于使用车规级惯性导航系统的 6 小时导航，海流辅助导航方案在湍流双涡旋流场中产生的定位估计不确定性低于每行驶距离的 3%（UDT），在湍流蜿蜒射流流场中低于 7.3% UDT。利用外场测试数据和实际海洋模拟分析的进一步评估表明，对于 6 小时任务性能一致；在提供直接航向测量时，24 小时导航的定位结果不确定性低于 25% UDT；而在导航早期阶段不确定性增加的情况下，终端定位估计的不确定性为 16% UDT。