一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、在AUV的某作业区域内，主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息进行误差校正；步骤2、当AUV即将超出预先布放的两个水下应答器作用范围时，布放两个后续水下应答器，利用局部滤波器估计两个后续布放应答器的位置信息，当标定的位置精度达到要求时进入主滤波器，主滤波器融合后续的水下应答器进行水下AUV紧组合导航；当AUV运行区域超出了当前水下应答器的水声作用范围后，AUV再次与后续水下应答器进行水下AUV紧组合导航，并重复执行上述过程。本发明专利技术节约应答器的布放成本，有效提升了AUV水下导航精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法
本专利技术属于惯性导航与水声定位
，涉及AUV水下导航方法,尤其是一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法。
技术介绍
目前，惯性导航系统(INS)为水下自主式航行器(AUV)在复杂的海洋环境执行任务与使命时不间断的提供载体姿态、速度和位置等信息，是保证其航行安全性、有效完成水下作业任务的关键。依靠单一的水下导航方式无法满足水下AUV高精度、长时间的定位需求，通常采用以惯性导航为核心的多源信息融合技术。传统的长基线(LBL)水声定位技术是在海底以一定的几何形状布设4个水下应答器，使用时各应答器位置需要预先进行精密测量，通过测量安装在被测目标上的声学设备发出的应答信号来确定水下应答器与载体之间的相对位置，进而确定被测目标的位置坐标。但传统的长基线(LBL)水声定位技术需要预先精确标定出应答器的位置，应答器的布放成本高，而且，由于AUV的任务区域受声学基阵配置范围的限制，导致其存在执行范围小、航行时间短，无法确保安全可靠作业的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种设计合理、操作成本低且安全可靠的基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法。本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法，包括以下步骤：步骤1、在AUV的某作业区域内，预先布放水下应答器a和水下应答器b，主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息进行误差校正，进而完成水下AUV紧组合导航；步骤2、当AUV即将超出预先布放的两个水下应答器作用范围时，布放两个后续水下应答器，利用局部滤波器估计两个后续布放应答器的位置信息，并当两个后续布放应答器的位置信息达到精度要求时进入主滤波器，主滤波器融合后续的水下应答器进行水下AUV紧组合导航，采用紧组合算法得到最终结果，同时反馈校正导航设备内部状态信息，抑制自身导航设备误差的发散增长；当AUV运行区域超出了当前水下应答器的水声作用范围后，AUV再次与后续水下应答器进行水下AUV紧组合导航，并重复执行上述过程。而且，所述步骤1的主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息进行误差校正的具体步骤包括：(1)获得水下应答器a和水下应答器b的位置信息；地球坐标系中，水下应答器a和水下应答器b的位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，可利用如下所示的地理坐标系转换到地球坐标系公式得到：其中：x,y,z为地球坐标系中位置坐标；L,λ,h为地理坐标系中大地纬度，大地经度和大地高度；RE为与子午面垂直的法线平面的曲率半径，e为椭球偏心率，(a,b椭圆长半径和短半径)。(2)对水下应答器a和水下应答器b的位置信息进行解算，由INS推算AUV到应答器a和水下应答器b的计算距离；当AUV作业距离内有2个位置已知的水下应答器(水下应答器a和水下应答器b)时，对2个应答器的位置信息进行解算，由INS推算AUV到2个应答器的计算距离为ρI1和ρI2：其中：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)：分别为2个应答器的位置坐标；(xI,yI,zI)为INS测量得到的AUV位置坐标。(3)利用kalman滤波器实现稀疏长基线紧组合算法，对导航设备和声学测距信息误差进行校正；kalman滤波器中状态变量X选取为姿态误差速度误差δv、位置误差δp、陀螺漂移ε、加速度计零偏▽，以及由时钟引起的声学测距误差δρS；由声学测量得到AUV到2个应答器的声学测量距离为ρS1和ρS2，并将INS推算的距离ρIi在(x,y,z)处进行泰勒级数展开，取一次项误差可得到AUV到2个应答器的计算距离与声学测量距离之差的观测方程Z如下所示：其中：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)：为2个应答器的位置；ρI1、ρI2：为INS推算的AUV到2个应答器的计算距离；ρS1、ρS2：声学测量得到AUV到2个应答器的声学测量距离。地球坐标系与地理坐标系微分转换公式如下所示：其中：(δx,δy,δz)为地球坐标系位置误差；(δL,δλ,δh)为地理坐标系位置误差；L,λ,h为地理坐标系中大地纬度，大地经度和大地高度；e,R为椭球偏心率和地球半径。而且，所述步骤2的利用局部滤波器估计两个后续布放应答器位置信息并使其达到精度要求的具体方法为：当AUV运行到某作业区域，布放水下应答器，应答器沉入水底经触发后以等间隔时间发出声信息，提供自身与AUV相互间的距离信息；水下应答器布放后，载体进行机动航行，建立地球直角坐标系下AUV到水下应答器绝对位置X(x0,y0,z0)校正的观测方程：其中：Fi(i＝1,2,...,n)为无任何误差条件下的声学距离；(x0,y0,z0)为地球坐标系下应答器位置X初始值；(xi,yi,zi)为惯导设备第i(i＝1,2,...,n)次测量点的位置。当水下AUV运行到作业区域或者校正区域时，布放水下应答器，应答器沉入水底经触发后发送声脉冲信号，可为其他载体提供自身精确的深度信息以及相互间的距离信息；设定水下应答器初值设置为AUV投放时的地理位置P0(L0,λ0,h0)，可根据INS导航系统中主滤波器输出得到，并经地理坐标系转换到地球坐标系为X(x0,y0,z0)；水下应答器布放后，AUV进行机动航行，建立AUV到水下应答器位置绝对位置校正的观测方程：式中：i＝1,2,...,n表示测量次数，(xi,yi,zi)表示惯导设备第i次测量点的位置；将上述公式在应答器初始值X(x0,y0,z0)进行线性化泰勒展开，可得如下公式：式中：Fi为无任何误差条件下的声学距离；上述可写成向量形式为：A·ΔX＝B式中：ΔX＝[ΔxΔyΔz]T；B＝[F1-F10F2-F20…Fn-Fn0]T.利用最小二乘法求解，可得：ΔX＝(ATA)-1ATB将求得的ΔX迭代校正应答器位置X：X＝X-ΔX将所得结果作为初值带入Fi的无任何误差条件下的声学距离公式，利用泰勒级数展开法和最小二乘法迭代求解公式，重复上述过程，经数次迭代至精度满足需求，重复性可达到米级。本专利技术的优点和有益效果：1、本专利技术基于稀疏长基线定位技术，仅采用2个水下应答器声学测距紧组合方法，并辅以载体的一定的运动路径，便可实现传统长基线4个水下应答器的测量效果，有效节约了应答器的布放成本，并可在水下未知环境中实现增量式水下环境地图的构建与导航，有效提高了AUV水下校正精度。2、本专利技术采用水下导航技术，AUV在未知环境中从一个未知的位置开始移动，在航行过程中依靠自身携带的环境感知传感器和惯性测量设备实现位置估计与环境地图构建。水下AUV利用此方法执行导航任务时，并不需要预先在任务区域精确布放水下声学应答器，节约了布放成本，同时使得AUV的任务区域不受声学基阵配置范围的限制，更加适合于执行大范围、长航时的任务，对AUV长航时安全、可靠作业具有重要意义。3、本专利技术基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航算法，增强水下声学辅助惯性导航的智能化程度，降低其应用于水下AUV的复杂度，AUV通过所携带的声学传感器感知外部测量信息，将新布放的水下应答器融入到地图中，进行增量式的环境建模，从而构建环境地图并完成水下AUV自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、在AUV的某作业区域内，预先布放水下应答器a和水下应答器b，主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息进行误差校正，进而完成水下AUV紧组合导航；步骤2、当AUV即将超出预先布放的两个水下应答器作用范围时，布放两个后续水下应答器，利用局部滤波器估计两个后续布放应答器的位置信息，并当两个后续布放应答器的位置信息达到精度要求时进入主滤波器，主滤波器融合后续的水下应答器进行水下AUV紧组合导航，采用紧组合算法得到最终结果，同时反馈校正导航设备内部状态信息，抑制自身导航设备误差的发散增长；当AUV运行区域超出了当前水下应答器的水声作用范围后，AUV再次与后续水下应答器进行水下AUV紧组合导航，并重复执行上述过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、在AUV的某作业区域内，预先布放水下应答器a和水下应答器b，主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息进行误差校正，进而完成水下AUV紧组合导航；步骤2、当AUV即将超出预先布放的两个水下应答器作用范围时，布放两个后续水下应答器，利用局部滤波器估计两个后续布放应答器的位置信息，并当两个后续布放应答器的位置信息达到精度要求时进入主滤波器，主滤波器融合后续的水下应答器进行水下AUV紧组合导航，采用紧组合算法得到最终结果，同时反馈校正导航设备内部状态信息，抑制自身导航设备误差的发散增长；当AUV运行区域超出了当前水下应答器的水声作用范围后，AUV再次与后续水下应答器进行水下AUV紧组合导航，并重复执行上述过程。2.根据权利要求1所说的一种基于稀疏长基线紧组合的AUV水下导航方法，其特征在于：所述步骤1的主滤波器通过与水下应答器a和水下应答器b进行稀疏长基线测距紧组合，对导航设备和声学测距信息误差校正的具体步骤包括：(1)获得水下应答器a和水下应答器b的位置信息；地球坐标系中，水下应答器a和水下应答器b的位置分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)，可利用如下所示的地理坐标系转换到地球坐标系公式得到：其中：x,y,z为地球坐标系中位置坐标；L,λ,h为地理坐标系中大地纬度，大地经度和大地高度；RE为与子午面垂直的法线平面的曲率半径，e为椭球偏心率，(a,b椭圆长半径和短半径)。(2)对水下应答器a和水下应答器b的位置信息进行解算，由INS推算AUV到应答器a和水下应答器b的计算距离；当AUV作业距离内有2个位置已知的水下应答器(水下应答器a和水下应答器b)时，对2个应答器的位置信息进行解算，由INS推算AUV到2个应答器的计算距离为ρI1和ρI2：其中：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)：分别为2个应答器的位置坐标；(xI,yI,zI)为INS测量得到的AUV位置坐标。(3)利用kalman滤波器实现稀疏长基线紧组合算法，对导航设备和声学测距信息误差进行校正；kalman滤波器中状态变量X选取为姿态误差速度误差δv、位置误差δp、陀螺漂移ε、加速度计零偏▽，以及由时钟引起的声学测距误差δρS；由声学测量得到AUV到2个应答器的声学测量距离为ρS1和ρS2，并将INS推算的距离ρIi在(x,y,z)处进行泰勒级数展开，取一次项误差可得到AUV到2个应答器的计算距离与声学测量距离之差的观测方程Z如下所示：其中：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)：为2个应答器的位置；ρI1、ρI2：为INS推算的AUV到2个应答器的计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彬，梁瑾，王彦国，汪湛清，宫京，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12