一種基於雙移動信標的auv水下聲學定位方法

2023-04-26 22:55:41

專利名稱：一種基於雙移動信標的auv水下聲學定位方法
技術領域：
本發明涉及一種基於雙移動信標的AUV水下聲學定位方法，屬於水下導航定位技術領域。
背景技術：
AUV (Autonomous Underwater Vehicle)作為一種水下自主運載工具，在海底地形地貌探測、海軍反水雷作戰等諸多方面發揮極其重要的作用。但是，AUV要完成上述這些任務，必須解決AUV在水下的高精度定位問題。由於AUV上裝有深度傳感器，可以測量AUV在水下航行時的深度，因此AUV在水下的三維定位問題可以轉化為二維平面內的定位問題。目前，滿足AUV水下高精度定位的方法主要是聲學定位方法。主要有(I)基於單一固定信標的聲學定位方法。該方法需要事先將一個信標固定在海底，並測出信標的坐標。使用時，給AUV裝訂信標的坐標，並實時測量出AUV與信標的距離，從而可解算出AUV相對於信標的位置。該方法主要缺點是AUV只能在布設信標的有限區域內進行定位，而且由於可觀測性差，AUV必須機動才能定位。(2)基於多個固定信標的長基線聲學定位方法。該方法需要事先將3 4個信標固定在海底，並測出信標的坐標。使用時，給AUV裝訂信標的坐標，並實時測量出AUV與各個信標的距離，從而可解算出AUV相對於各個信標的位置。該方法主要缺點是AUV只能在布設信標的有限區域內進行定位，而且信標的布放、校正非常煩瑣。(3)基於多個GPS浮標的長基線聲學定位方法。該方法需要事先將3 4個GPS浮標布放到海面。使用時，各個GPS浮標通過差分GPS可實時測量出自身的位置，並測量出與AUV的距離，分別通過無線通訊發送到解算中心，從而可確定AUV的位置。該方法可避免信標複雜的布放和校正過程，但AUV也只能在布設GPS浮標的有限區域內進行定位。

發明內容
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基於雙移動信標的AUV水下定位方法，如圖I所示，其特徵在於雙移動信標由兩艘USV來擔任，在兩艘USV上分別安裝有差分GPS、航向與航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納，AUV上安裝有航向、航速、航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納。兩艘USV上的聲定位與通訊聲納周期性發出聲定位信號，同時將自身的位置發送給AUV，如圖2所示。當AUV上的聲定位與通訊聲納接收到兩艘USV發送來的聲定位信號和位置信息後，利用擴展卡爾曼濾波器進行水下定位。同時，AUV將航速、航向角速度傳感器的測量值和定位解算的結果通過聲定位與通訊聲納發送給兩艘USV，使兩艘USV以AUV為領航者隨AUV —起編隊航行，並與AUV之間的距離穩定到最小航行安全距離，與AUV連線之間的夾角穩定到/2。步驟如下步驟I :利用GPS的同步時鐘信號PPS對AUV和兩艘USV進行時鐘同步，然後將AUV與兩艘USV布放入水；所述AUV的初始狀態向量為X(O) = [X(O)y(O) V(0)]T，其中x、y為AUV水平面內的位置，￥為AUV的航向角，(X (0)，y (0))可根據AUV布放時GPS的測量、值進行事先設定，V(O)由AUV上的航向傳感器測量得到；所述第一艘USV的初始狀態向量為Xul(O) = [ Xul (0)yul(0) Vul(O) ]T，其中xul、yul為第一艘USV水平面內的位置，Vul為第一艘USV的航向角；所述第二艘USV的初始狀態向量為Xu2(O) = [xu2(0) yu2(0) Vu2(0)]T，其中xu2、yu2為第二艘USV水平面內的位置，￥u2為第二艘USV的航向角。Xul(O)和Xu2(O)可由兩艘USV上的差分GPS和航向傳感器 測量得到；
步驟2 =AUV開始下潛航行，在第k個採樣時刻，兩艘USV通過聲定位與通訊聲納發出聲定位信號，並將自身的位置信息(xul(k)，yul(k))、(Xu2 (k), Yu2 (k))發送給AUV;同時AUV利用自身的航速、航向、航向角速度傳感器分別測量出在k採樣時刻的航速V (k)、航向V (k)、航向角速度W (!^，其測量噪聲協方差矩陣為以幻=^^^#^^ al(k) al(k)\，Q(k)
可根據AUV上航速、航向、航向角速度傳感器的性能事先設定為常值矩陣；步驟3 : AUV利用擴展卡爾曼濾波器對AUV的狀態進行預測，其中AUV擴展卡爾曼濾波器的濾波初值爻(0 I 0) = X(O)，AUV狀態估計誤差協方差矩陣的初值為P(0\0) = diag[a2x a； O 0且事先設定為常值矩陣，採樣周期為T。具體步驟為計算AUV在第k個採樣時刻的狀態預測值
權利要求
1.一種基於雙移動信標的AUV水下聲學定位方法，其特徵在於雙移動信標由兩艘USV來擔任，在兩艘USV上分別安裝有差分GPS、航向與航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納，AUV上安裝有航向、航速、航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納；兩艘USV上的聲定位與通訊聲納周期性發出聲定位信號，同時將自身的位置發送給AUV ;具體步驟如下 步驟I :利用GPS的同步時鐘信號PPS對AUV和兩艘USV進行時鐘同步，然後將AUV與兩艘USV布放入水；所述AUV的初始狀態向量為X(O) = [x(0)y(0) V(O) ]T，其中x、y為AUV水平面內的位置，V為AUV的航向角，(x(0)，y(0))可根據AUV布放時GPS的測量值進行事先設定，V(O)由AUV上的航向傳感器測量得到；所述第一艘USV的初始狀態向量為xul (0) = [xul (0)yul (0) Vul (0)]T，其中^^、丫也為第一艘舊乂/欠平面內的位置，Vul為第一艘USV的航向角；所述第二艘USV的初始狀態向量為Xu2(O) = [Xu2(O)Yu2 (0) Vu2(O)]1,其中Xu2、yu2為第二艘USV水平面內的位置，Vu2為第二艘USV的航向角。Xul (0)和Xu2(0)可由兩艘USV上的差分GPS和航向傳感器測量得到； 步驟2 =AUV開始下潛航行，在第k個採樣時刻，兩艘USV通過聲定位與通訊聲納發出聲定位信號，並將自身的位置信息(xul (k)，yul (k))、(Xu2 (k)，Yu2 (k))發送給AUV ;同時AUV利用自身的航速、航向、航向角速度傳感器分別測量出在k採樣時刻的航速V(k)、航向v(k)、航向角速度《 (k)，其測量噪聲協方差矩陣為2(幻= AagWw al(k)弋oJ，Q(k)可根據AUV上航速、航向、航向角速度傳感器的性能事先設定為常值矩陣； 步驟3 :AUV利用擴展卡爾曼濾波器對AUV的狀態進行預測，其中AUV擴展卡爾曼濾波器的濾波初值爻(0 I 0) = AT(O)，AUV狀態估計誤差協方差矩陣的初值為P(0\0) = diag[a2x a； O 0且事先設定為常值矩陣，採樣周期為T。具體步驟為 計算AUV在第k個採樣時刻的狀態預測值
全文摘要
本發明涉及一種基於雙移動信標的AUV水下聲學定位方法，其特徵在於雙移動信標由兩艘USV來擔任，在兩艘USV上分別安裝有差分GPS、航向與航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納，AUV上安裝有航向、航速、航向角速度傳感器及聲定位與通訊聲納。兩艘USV上的聲定位與通訊聲納周期性地發出聲定位信號，並將自身的位置發送給AUV。當AUV接收到USV的聲定位信號和位置坐標後，利用擴展卡爾曼濾波器進行水下定位；同時，AUV將測量和定位的結果通過聲定位與通訊聲納發送給兩艘USV，使兩艘USV以AUV為領航者隨AUV一起編隊運動，並與AUV之間的距離穩定到最小安全距離，與AUV連線之間的夾角穩定到π/2。
文檔編號G01S1/76GK102636771SQ20121012403
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者嚴衛生, 劉明雍, 崔榮鑫, 張福斌, 張立川, 彭星光, 房新鵬, 王銀濤, 高劍 申請人:西北工業大學