【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及水下無(wú)人潛航器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偽距離差的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法。
技術(shù)介紹
1、水下無(wú)人潛航器(簡(jiǎn)稱潛器)因具備作用范圍靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在海洋資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域扮演著重要角色。其中，潛器系統(tǒng)高效執(zhí)行任務(wù)的重要前提是準(zhǔn)確地獲取自身位置信息。在已有的潛器定位方法中，通常需要位置已知的錨節(jié)點(diǎn)輔助，即通過(guò)在相關(guān)的某一固定海域布放錨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)潛器的定位，典型的如長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)。然而，相對(duì)于廣大海域，錨節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍十分有限，且錨節(jié)點(diǎn)的布放位置需要事先確定，不適合支撐大移動(dòng)范圍潛器的定位需求。同時(shí)，惡劣的水下環(huán)境以及錨節(jié)點(diǎn)攜帶的有限電池容量等因素使得錨節(jié)點(diǎn)不具備長(zhǎng)時(shí)間的工作能力。另一種方法是利用潛器配備的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位，雖然具備靈活機(jī)動(dòng)、不需要錨節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，但高精度導(dǎo)航設(shè)備價(jià)格昂貴，且存在無(wú)法避免的累積位置誤差，不適合潛器長(zhǎng)時(shí)間的定位。隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展和潛器的智能化進(jìn)步，多潛器協(xié)同定位具備高效實(shí)現(xiàn)潛器系統(tǒng)定位的潛力，從而得到廣泛研究。
2、在協(xié)同定位方法中，被廣泛使用的相對(duì)測(cè)量是潛器間的距離測(cè)量，而準(zhǔn)確的距離測(cè)量是以各潛器間時(shí)鐘同步和理想的水下環(huán)境(聲速為常數(shù)且聲波沿直線傳播)為前提。然而，在實(shí)際水下環(huán)境中，由于潛器自身時(shí)鐘器件制作工藝以及受水下溫度、鹽度、深度等因素影響，多潛器之間的時(shí)鐘難以保持同步，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間航行中。另一方面，水聲信道的復(fù)雜性使得水下聲線彎曲，即聲波非直線傳播，造成距離測(cè)量值與采用潛器位置計(jì)算而得的距離(聲線沿直線傳播)的誤差，進(jìn)一步降低了協(xié)同定位精度。
3、申請(qǐng)?zhí)枮?02210213443.3的名稱為“一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分布式小平臺(tái)水下純方位定位方法”的專利，利用參考節(jié)點(diǎn)與待定位潛器間的方位信息提供了一種單潛器定位方法，雖然利用方位測(cè)量可避免時(shí)鐘異步的影響，但方位信息的準(zhǔn)確測(cè)量依賴于陣列的規(guī)模和結(jié)構(gòu)，對(duì)于有限體積和電池電量的潛器而言，無(wú)法裝備大規(guī)模陣列，且無(wú)法保證陣列的長(zhǎng)時(shí)間工作，另外，陣列限制了潛器的機(jī)動(dòng)，不利于潛器的靈活作業(yè)。申請(qǐng)?zhí)枮?02210102709.7的名稱為“一種集成超短基線系統(tǒng)的uuv集群協(xié)同定位方法”的專利，基于距離測(cè)量和超短基線系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)潛器系統(tǒng)協(xié)同定位，雖然該方法采用雙程水聲通信可解決潛器之間的時(shí)鐘異步問(wèn)題，但實(shí)際的水下環(huán)境具有較大的通信延遲，降低了潛器協(xié)同定位的位置更新效率，另一方面，該方法并未考慮水下聲線彎曲造成的距離測(cè)量誤差。申請(qǐng)?zhí)枮?02111610043.8的名稱為“一種雙主auv切換的auv集群大水深作業(yè)的協(xié)同導(dǎo)航定位方法”的專利，面向主從式潛器系統(tǒng)，提供了一種利用主auv定期上浮至水面實(shí)現(xiàn)自身位置校正，進(jìn)而利用潛器系統(tǒng)的協(xié)同定位方法提升其余auv的位置精度，但是，該方法無(wú)法解決主從auv時(shí)鐘不同步的問(wèn)題，且auv頻繁上浮至水面大大降低了潛器協(xié)同作業(yè)的效率。綜上而言，上述潛器協(xié)同定方法存在不足，主要體現(xiàn)在并未高效地解決潛器的時(shí)鐘異步問(wèn)題以及水下環(huán)境中切實(shí)存在的聲線彎曲問(wèn)題，無(wú)法為潛器系統(tǒng)在復(fù)雜的無(wú)錨環(huán)境作業(yè)時(shí)提供高效的實(shí)時(shí)定位方法。
4、因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)潛器系統(tǒng)的協(xié)同定位的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是考慮惡劣水聲環(huán)境的相對(duì)測(cè)量改進(jìn)方法以及多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位實(shí)現(xiàn)方法，通常對(duì)某個(gè)單一影響因素進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)難以同時(shí)兼顧潛器間的時(shí)鐘異步、潛器測(cè)量受限、水下環(huán)境存在聲線彎曲等多個(gè)影響因素。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供了一種基于偽距離差的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，所述多潛器為至少兩個(gè)潛器，包括主潛器和從潛器，所述多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法包括：
3、(1)獲取潛器航行區(qū)域水下環(huán)境的聲速剖面c(z)，其中z為深度；
4、(2)初始化多潛器系統(tǒng)，建立水聲通信鏈路，并校準(zhǔn)傳感器，開(kāi)始下水航行；所述初始化的系統(tǒng)包括多潛器系統(tǒng)的水聲通信設(shè)備和/或慣性測(cè)量系統(tǒng)；
5、(3)在航行時(shí)刻i＜tthr時(shí)，各潛器僅使用慣性定位，其中，tthr的取值取決于慣性測(cè)量設(shè)備的誤差累積速度；
6、(4)當(dāng)時(shí)刻i>tthr，主潛器和從潛器完成單向水聲通信，從潛器獲得主潛器時(shí)間信息和位置信息并記錄接收信息時(shí)的時(shí)間信息和自身姿態(tài)信息；
7、(5)在(i+1)時(shí)刻，主潛器和從潛器完成單向水聲通信后，利用主潛器和從潛器在i時(shí)刻和(i+1)時(shí)刻的時(shí)間信息獲取水聲通信時(shí)間差，并根據(jù)已獲取的聲速剖面獲得偽距離差；
8、(6)利用從潛器位置信息設(shè)計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量，基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量和主潛器位置信息描述偽距離差，并構(gòu)造基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量和偽距離差的改進(jìn)的狀態(tài)空間方程；
9、(7)基于所得改進(jìn)的狀態(tài)空間方程，利用三階球面-徑向容積準(zhǔn)則，進(jìn)行改進(jìn)的容積卡爾曼濾波算法中的預(yù)測(cè)更新過(guò)程；
10、(8)基于改進(jìn)的狀態(tài)空間方程，利用sage-husa估計(jì)器實(shí)現(xiàn)偽距離差測(cè)量值的噪聲方差估計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)的容積卡爾曼濾波算法中的測(cè)量更新過(guò)程；
11、(9)利用所得改進(jìn)的容積卡爾曼濾波算法中的預(yù)測(cè)更新過(guò)程和測(cè)量更新過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多潛器的實(shí)時(shí)協(xié)同定位，進(jìn)而完成從潛器的位置更新，直至航行結(jié)束。
12、本專利技術(shù)建立了偽距離差作為潛器間的相對(duì)測(cè)量，僅利用潛器間的兩次通信和測(cè)得的水下聲速剖面信息獲取。偽距離差同時(shí)解決了潛器間的時(shí)鐘異步問(wèn)題和水下聲線彎曲現(xiàn)象造成的協(xié)同定位精度下降難題。對(duì)于潛器本身，偽距離差只需要通信設(shè)備即可獲取，無(wú)需裝配如陣列等復(fù)雜測(cè)量設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位的基礎(chǔ)上大大減輕了潛器的測(cè)量設(shè)備要求。
13、在實(shí)際使用過(guò)程中，本專利技術(shù)可利用潛器通信時(shí)的時(shí)間信息直接獲取通信時(shí)間差，而聲速剖面可利用聲速計(jì)設(shè)備準(zhǔn)確采集；此外，提出的偽距離差可在滿足準(zhǔn)確表征測(cè)量值與潛器位置的關(guān)系的同時(shí)，因其無(wú)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程而具有優(yōu)秀的時(shí)效性。
14、在本專利技術(shù)的較佳實(shí)施方式中，步驟(4)至(8)在每一時(shí)刻循環(huán)執(zhí)行，直至航行結(jié)束。
15、在本專利技術(shù)的另一較佳實(shí)施方式中，步驟(5)所述水聲通信時(shí)間差δτi+1的獲取方法為：利用i時(shí)刻和(i+1)時(shí)刻，主潛器和從潛器的時(shí)間信息()，所述水聲通信時(shí)間差為
16、
17、步驟(5)所述偽距離差的獲取方法為：根據(jù)射線聲學(xué)理論，建立水聲通信時(shí)間差δτi+1與聲速剖面c(z)之間的關(guān)系，即
18、
19、其中，z為深度，根據(jù)snell定理，φi(z)為從潛器相對(duì)于主潛器的掠射角。
20、本專利技術(shù)首先利用潛器間的兩次通信獲得的通信時(shí)間差解決了潛器間異步時(shí)鐘的影響。進(jìn)一步，基于射線聲學(xué)原理，利用水下聲速剖面，通過(guò)通信時(shí)間差修正由聲線彎曲引入的相對(duì)測(cè)量誤差，最終得到本專利技術(shù)提出的偽距離差，從而得以準(zhǔn)確表征測(cè)量值與潛器位置之間的位置關(guān)系，為實(shí)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于偽距離差的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，所述多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(4)至(8)在每一時(shí)刻循環(huán)執(zhí)行，直至航行結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(5)所述水聲通信時(shí)間差Δτi+1獲取方法為：利用i時(shí)刻和(i+1)時(shí)刻，主潛器和從潛器的時(shí)間信息所述水聲通信時(shí)間差為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，利用Δτi+1的測(cè)量值和聲速剖面c(z)，計(jì)算φi(z)的數(shù)值，主潛器和從潛器在水平面之間的距離差Δri+1為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(6)所述擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量其中，和分別為從潛器(i+1)和i時(shí)刻的位置信息；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(7)所述進(jìn)行改進(jìn)的容積卡爾曼濾波算法中的預(yù)測(cè)更新過(guò)程包括根據(jù)過(guò)程噪聲ωi的協(xié)方差矩陣Pi|i計(jì)算容積點(diǎn)和計(jì)算預(yù)測(cè)的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量及預(yù)測(cè)協(xié)方差
7.根據(jù)權(quán)利要
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(a)所述計(jì)算容積點(diǎn)的方式為：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(c)所述估計(jì)偽距離差測(cè)量值的誤差的方差
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(e)計(jì)算卡爾曼增益Ki+1和一步平滑增益
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于偽距離差的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，所述多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(4)至(8)在每一時(shí)刻循環(huán)執(zhí)行，直至航行結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(5)所述水聲通信時(shí)間差δτi+1獲取方法為：利用i時(shí)刻和(i+1)時(shí)刻，主潛器和從潛器的時(shí)間信息所述水聲通信時(shí)間差為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，利用δτi+1的測(cè)量值和聲速剖面c(z)，計(jì)算φi(z)的數(shù)值，主潛器和從潛器在水平面之間的距離差δri+1為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多潛器實(shí)時(shí)協(xié)同定位方法，其特征在于，步驟(6)所述擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量其中，和分別為從潛器(i+1...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李一辰，姜良宇，于文彬，關(guān)新平，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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