Dissertação

{pt_PT=Design and simulation of Long Baseline Navigation Systems based on pseudo-range measurements} {} EVALUATED

{pt=Um sistema de navegação inercial é uma boa solução para missões de navegação curtas. Contudo, tem o problema de integração em malha aberta do ruído e viés dos sensores. A resolução destes problemas passa pela utilização de sensores adicionais. Uma solução comum utiliza navegação por satélite, como o Sistema de Posicionamento Global (GPS). A elevada atenuação impede a utilização do GPS em missões subaquáticas. Assim, consideram-se outros dispositivos, sendo os sistemas de navegação acústicos dos mais comuns. Nesta dissertação é considerado um sistema de navegação auxiliado por um sistema de posicionamento acústico de tipologia de base longa. Deduz-se o seu modelo, com um viés adicionado às medições de distância, representando a diferença desconhecida entre o relógio dos emissores e recetores. As soluções propostas, que estimam posição, velocidade, aceleração da gravidade e viés do veículo, são um Filtro de Kalman Estendido (EKF), um Filtro de Kalman Unscented (UKF), e um Filtro de Kalman Linear (LKF) aplicado após aumento do número de estados do sistema. O EKF e o UKF não oferecem garantias de convergência global. A análise de observabilidade do LKF permite concluir que a dinâmica de erro é globalmente exponencialmente estável. O LKF e EKF apresentam tempos de processamento semelhantes e inferiores aos do UKF. Simulações de Monte Carlo permitem concluir que o LKF apresenta erro médio e quadrático médio inferiores aos das outras soluções. Assim, o novo sistema de navegação é uma escolha preferível a outros metodos típicos de estimação, eliminando o problema de sincronização de relógios., en=An Inertial Navigation System is a good solution for short missions. However, it suffers from open-loop integration problems of the sensors’ noise and bias. Circumventing these problems involves considering additional sensors. A common solution used is a satellite-based navigation device, such as the Global Positioning System (GPS). In underwater navigation, the GPS is unavailable due to high attenuation. Therefore, other devices must be considered, where acoustic navigation systems are common solutions. In this thesis, a navigation system aided by an acoustic positioning system in a long baseline configuration is considered. A model for the system is devised, including a bias added to the ranges measured, which accounts for the effect of the unknown offset between the emitters’ and receivers’ clocks. The proposed solutions, which estimate the position, velocity, gravity acceleration, and bias of the vehicle, are the Extended Kalman Filter (EKF), the Unscented Kalman Filter (UKF), and a Linear Kalman Filter (LKF) derived after state augmentation. The EKF and UKF lack global convergence guarantees. The observability analysis performed for the LKF allows to establish globally exponentially stable error dynamics. The LKF and EKF have similar processing times, whereas the UKF has higher processing time. Monte Carlo simulations allow to conclude that the LKF presents smaller errors and Root-mean-square Error (RMSE) than the other proposed solutions. Therefore, the novel navigation solution is better than the typical estimation methods, removing also the burden of clock synchronization.}
{pt=sistemas de navegação subaquáticos, LBL, INS, sicnronização de relógio, pseudo-distâncias, en=underwater navigation systems, LBL, INS, clock synchronization, pseudo-range}

Novembro 23, 2018, 9:30

Orientação

ORIENTADOR

Pedro Tiago Martins Batista

Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC)

Professor Auxiliar