本文以非线性滤波方法在AUV导航系统中的应用研究为主题,主要围绕SINS的惯性系粗对准方法、AUV导航系统的非线性间接法初始对准和非线性直接法信息滤波方法开展相关研究工作。主要研究工作和成果如下:(1)研究了不考虑经度以及考虑经度的两种惯性系粗对准方法。由于地球自转角速率很小,在AUV晃动干扰或者运动环境下,传统粗对准方法的误差很大,甚至不可用。对线加速度干扰对惯性系粗对准精度的影响进行了理论分析,并通过多种运动状态下的数学仿真验证了理论分析的正确性,其中考虑经度的惯性系粗对准表现较优,不仅能在AUV存在大幅度的角运动时实现对准,而且也能在AUV匀速运动时完成粗对准,适应性强。(2)提出了基于Gauss-Hermite求积分卡尔曼滤波(GHQKF)的SINS非线性间接法初始对准方法。当AUV受海浪影响时,特别是海况不佳时,粗对准精度一般达不到线性滤波器适用的条件,考虑采用非线性滤波方法来实现SINS动基座初始对准。详细阐述了 Gauss点和Gauss系数的单变量配置及多变量配置方法,给出了GHQKF滤波算法,针对SINS大方位失准角非线性误差模型,数学仿真验证了该算法的有效性。基于GHQKF滤波算法的对准性能优于基于UKF的非线性初始对准方法,而且该算法的对准精度随着单变量Gauss点数的增加可以进一步提高,但运算量也随着增加,需综合考虑对准性能和计算量。(3)针对基于GHQKF的初始对准方法的运算量较大的问题,提出了基于稀疏网格高斯滤波器(SGQKF)的SINS非线性间接法初始对准方法。该算法在不降低对准性能的基础上,可以减少运算量,提高实用性。详细阐述了采用稀疏网格和Gauss-Hermite数值积分理论配置多维积分点的方法。半物理仿真实验验证了该算法的优越性。该算法在失准角较小时,对准性能优于Kalman;在失准角较大时,该算法和基于GHQKF的对准方法的性能相当,但运算量小很多。综合考虑对准精度、收敛速度、运算量和适用条件,可采用3阶积分精度水平的SGQKF进行SINS初始对准。(4)提出了基于载体系速度匹配和欧拉角微分方程的AUV导航系统的非线性直接法信息滤波方法。和基于误差模型的间接法不同,直接法能将SINS导航解算和滤波结合在一起,更好的跟踪非线性。AUV导航系统中一般都会装备DVL,提供载体系速度,来辅助SINS导航。量测量直接采用载体系速度而不是传统上采用的导航系速度误差,解决了间接法中存在的噪声交义问题。系统方程是基于欧拉角微分方程,而不是四元数微分方程,避免了四元数归一化的非线性约束问题。本文详细介绍了基于载体系速度匹配和欧拉角微分方程的直接法的建模过程,针对状态方程和量测方程均为非线性的模型特点,采用UKF滤波算法实现状态估计,最后通过装备有里程计与GPS的跑车实验数据验证了该算法的有效性,直接法比间接法的定位精度高,为以SINS为主的AUV导航系统信息滤波方法提供了一种新的解决方案。(5)研究了直接法中欧拉角的奇异问题,提出了基于双欧拉角的AUV无奇异的非线性直接法初始对准方法。该算法用于解决基于单欧拉角的直接法信息滤波方法存在的奇异问题。分析了正反欧拉角微分方程的奇异性正好互补的特性,研究了基于双欧拉角的SINS非线性直接法初始对准方法,给出了双欧拉角直接法的对准流程,并进行了半物理仿真验证。双欧拉角SINS非线性直接初始对准方法中,采用正、反欧拉角分区接替运算进行滤波,可以实现以欧拉角为状态量的直接法无奇异初始对准,双欧拉角直接法成功解决了单欧拉角直接法的奇异性问题,可以适用于AUV大机动的情况。(6)为了进一步的将惯性系粗对准的思想用于SINS的精对准阶段,分别研究了基于惯性系的间接法和直接法精对准方法,受地理坐标系中直接法的启发,对模型进行改造,建立了惯性系的间接法滤波模型,提出了基于惯性系的直接法精对准方法。首先基于不同的量测量建立了两种间接法惯性系误差模型,给出了它们的精对准流程图,半物理仿真对比验证了惯性系间接法精对准方法。然后建立了惯性系直接法初始对准方法的非线性滤波模型,并采用UKF实现状态估计,数学仿真验证了该算法的有效性,提高了航向收敛速度,缩短了收敛时间。