شبیه سازی و بررسی دقت سیستم ناوبری اینرسی تلفیقی زیر دریا

سیستم ناوبری اینرسی متصل به بدنه از یک واحد اندازه گیری اینرسی متشکل از سه شتاب سنج و سه ژایروسکوپ متعامد تشکیل می شود که برای تعیین موقعیت، سرعت و جهت حرکت وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد. این سیستم مکان وسیله ی نقلیه را در مسافت های کوتاه مدت با خطای کمی محاسبه می کند، درصورتیکه با گذشت زمان به علت خطای موجود در خروجی ژایروها و شتاب سنج ها و انتگرال گیری های متوالی از آنها، خطای مکان برآوردشده توسط سیستم افزایش می یابد. برای کاهش خطا از سنسورهای کمکی به همراه سنسورهای اینرسی استفاده می شود. در ناوبری زیردریا از سنسور های کمکی سرعت سنج داپلری، قطب نمای ژایروسکوپی یا مغناطیسی، عمق سنج، سیستم تعیین موقعیت جهانی و سیستم تعیین موقعیت صوتی برای تصحیح خطای مکان استفاده می شود. متاسفانه سیگنال های سیستم تعیین موقعیت جهانی در داخل آب قابل دریافت نیستند و عملا این سیستم ها در زیر آب کارایی ندارند. یک روش جایگزین برای ناوبری وسایل نقلیه ی زیردریا استفاده از سیستم تعیین موقعیت صوتی است. این روش به آرایه ای از ترانسپوندرها نیازمند است که یا باید در کف دریا نصب شوند و یا بر روی سطح دریا قرار بگیرند. از آنجاییکه در این روش وسیله ی نقلیه باید در ناحیه ی تحت پوشش ترانسپوندرها قرار داشته باشد، ناحیه ی عملکرد آن به شدت محدود می شود و کالیبراسیون موقعیت ترانسپوندرها نیز کار سختی می باشد. در این پایان نامه از سنسورهای کمکی سرعت سنج داپلری، قطب نمای مغناطیسی و عمق سنج استفاده می شود. استفاده از این سنسورها بر خلاف سیستم های تعیین موقعیت جهانی و صوتی باعث می شود که سیستم ناوبری تلفیقی از منابع خارج اطلاعات نگیرد و با استفاده از سنسورهای موجود در وسیله ی نقلیه به طور مستقل به ناوبری بپردازد. برای ترکیب کمیت های برآوردشده از سیستم ناوبری اینرسی با کمیت های حاصل از سیستم های اندازه گیری کمکی از روش های ترکیب اطلاعات مبتنی بر فیلتر کالمن استفاده می شود. فیلتر کالمن توسعه یافته به طور گسترده در سیستم های ناوبری تلفیقی مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجاییکه این فیلتر فقط از جملات مرتبه ی اولِ بسط سری تیلورِ توابع غیرخطی برای خطی سازی مدل های غیرخطی استفاده می کند، هنگامیکه مدل های دینامیک و اندازه گیری به شدت غیرخطی باشند، خطای قابل توجهی در میانگین و کوواریانس حالت ها ایجاد می شود و اثرات جملات مرتبه ی بالاترِ سری تیلور با اهمیت می شوند. برای برطرف کردن این عیب، فیلتر کالمن unscented پیشنهاد شده است. در این فیلتر نیازی به خطی سازی مدل های دینامیک سیستم و اندازه گیری از طریق محاسبه ی ژاکوبین نیست. فیلتر کالمن حالت خطا نیز روش ترکیب اطلاعات دیگری است که در آن مدل فضای حالت بر اساس یک مدل سیستم خطی سازی شده بیان می شود. در این پایان نامه، ضمن طراحی یک شبیه ساز ناوبری، خطاهای سنسورهای اینرسی و اثر آنها برروی مکان برآوردشده تحلیل و شبیه سازی شده است. علاوه براین، یک سیستم ناوبری تلفیقی برای وسایل نقلیه ی زیردریا با استفاده از روش های فیلترکالمن توسعه یافته، فیلترکالمن unscented و فیلترکالمن حالت خطا متشکل از سنسورهای اینرسی و اندازه گیری های سرعت، جهت حرکت و عمق طراحی شده و به وسیله ی آزمایش های عملی و برای مسیرهای بسته و مستقیم مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند. در نهایت، به منظور ارزیابی شبیه ساز ناوبری طراحی شده، نتایج حاصل از داده های شبیه سازی شده با داده های واقعی مقایسه شده اند.