一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，属于船用设备技术领域，用于AUV的隐蔽导航定位，包括采用精确的自适应声线跟踪算法得到精确的声学定位的基础上，在浅水AUV隐蔽导航时，将声学定位结果、惯性导航结果和深度计通过自适应神经网络算法得到准确的高频位置、速度和姿态信息并进行导航；在深水区AUV隐蔽导航时，则是依赖声学定位结果、惯性导航结果、深度计和多普勒测速仪传感器进行数据融合。而声学定位设备是安装在海面按一定构型布设的无人船编队上。本发明专利技术在无卫星导航系统辅助下，通过多传感器的组合实现对水下AUV的短期隐蔽导航。对水下AUV的短期隐蔽导航。对水下AUV的短期隐蔽导航。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法


[0001]本专利技术公开了一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，属于导航


技术介绍

[0002]随着国家透明海洋战略的提出和发展，海洋资源开发成为了各海洋强国的重要发展目标，海洋中蕴藏了丰富的天然气、石油资源亟待开发。海底管道铺设、海洋科考、海洋救援等活动都需要知道自己所处的位置信息，水下航行器的发展无疑成为了海洋各项活动必不可少的工具。目前卫星导航系统是最为稳定、精度最高的定位方式被应用于军事、农业、汽车自动驾驶等各个领域。它是通过接受卫星发射的测距码或载波相位精确测量卫星到接收机的距离，通过后方距离教会实现定位。在陆地上或近海可以通过RTK相对定位实现厘米级—分米级的定位精度，在远海场景下一般通过精密单点定位或星站差分技术实现精准定位。但是在一些，因为卫星导航系统存在天然的脆弱性，即容易被跟踪和干扰，因此在隐蔽AUV导航等特殊场景下无法使用。AUV由于体积小、活动范围广、隐蔽性高的优点而在军事、民用等各个领域被广泛应用，例如水下侦察、海底地形探测、海事救援、水下光电缆铺设等。
[0003]在某些特殊应用场景下，AUV需要进行隐蔽性导航，特别是在一些军事活动中不能借助外部容易侦察和干扰的信号，此时卫星导航系统就无法提供给载体平台位置信息。惯性导航系统是采用航位推算的方式实现导航定位，不需要外部信息的输入性，因具有极强的隐蔽性而用在潜艇、导弹等军事设施中，它的原理是用牛顿积分对加速度计和陀螺仪输出的信息进行积分得到位置、速度和姿态信息。该系统不需要依赖外界信息，也不会向外界辐射能量，具有很好的隐蔽性，但存在误差累积的问题，因此需要配合多种传感器一起进行使用。长基线水声定位系统的定位精度高，配合惯性导航系统及其它辅助系统可以实现短期对AUV的导航。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，以解决现有技术中，AUV水下定位精度较低的问题。
[0005]一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，包括：S1.船底的水声换能器以一定的频率发射声学信号，位于AUV上的应答器接收到信号后反射应答信号到水声换能器；S2.当存在三个及以上的海面观测值时，通过距离交会得到最优位置信息，将传播时间作为待估参数一起参与求解以避免传播信号在水下环境延迟带来的误差；S3.使用声线跟踪算法实现精确定位；S4.获得声信号传播时间t
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后，与实际测得的传播时间T
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做差，得到时间差t
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，乘以声速c得到传播距离；S5.进行AUV的隐蔽导航，根据传感器的精度和适用环境的不同，AUV的导航分为两
种情景：浅水导航和深水导航，导航传感器的选择根据深度计信息自由切换。
[0006]优选地，S1包括：通过测量声信号的传播时间乘以声信号传播速度得到距离：，式中表示测距信息，表示声信号传播的声速，表示信号传播时间，，N表示无人船的数量；为水声换能器和应答器之间的欧氏距离；为等效测距误差。
[0007]优选地，S3包括：由射线声学基本理论，第i层的声线轨迹曲率为：；式中，表示声信号入射角，s表示信号传播路径，z表示深度，表示掠射角，c为声速；对于等声速梯度层，声速梯度为常数，表示为：；c
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为第i层水层的声速，z
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为第 i层水层的深度，为第i层水层的声信号入射角，为第i层水层的掠射角；声线在层内的实际轨迹为一段圆弧，求出第 i层的 t
i
及水平传播距离 y
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：；；将每段声信号经过的弧进行累加同样，所需的传播时间T
N
和水平位移Y
N
分别为：； ，得到传播时间后获得水声换能器与应答器之间的实际信号经过的路径距离。
[0008]优选地，S4包括：声速的确定采用一种自适应方法，声速 c的大小根据AUV所处的深度z
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确定，将水层分为浅水层和深水层，分别采用不同的声速，则实际的距离L表示为： ，其中表示声速是c关于z
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的函数。
[0009]优选地，S5包括：浅水导航情景：AUV的位置信息为：，式中，表示AUV的位置信息，表示位置融合函数，分别表示通过长基线定位得到的位置和惯导输出的信息经过两次积分得到的位置；AUV的速度信息v1在浅水由惯导系统通过对加速度信息积分得到；AUV的姿态信息为：，式中，A表示AUV的姿态信息，表示姿态融合函数，分别表示通过深度计得到的姿态和惯导输出的姿态信息；AUV运动速度过大时，惯导姿态输出不稳定，借助多深度计辅助测量横滚角和俯仰角；将4个深度计安装在AUV上，构成一个长为a，宽为b的长方形；通过姿态角的定位和长方形的位置关系可以求得姿态变化矩阵R，从而求出姿态信息 ；
深水导航情景：AUV的位置信息为：，式中，表示AUV的位置信息，表示位置融合函数，分别表示通过长基线定位得到的位置和多普勒测速仪输出的信息经过一次积分得到的位置；AUV的速度信息v2在深水区由多普勒测速仪提供。
[0010]优选地，、、统称为融合函数，融合函数 采用自适应的反馈性神经网络算法，将单个传感器先放置到一个黑匣子中进行可靠性评估，评估可靠性后赋予适用于该传感器的权阵W
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，权阵的大小决定了该传感器提供数据的占比，通过数据的训练得到一个最优的神经网络 Net，将融合后的结果与水声定位的结果进行做差，根据偏差信息进行新的确权后重新进行滤波，直到得到满足限差的结果。
[0011]优选地，所述无人船为三艘时，在海面呈“等边三角形”布设。
[0012]优选地，所述无人船为四艘时，在海面呈“正方形”布设。
[0013]优选地，AUV上搭载惯性导航系统、深度计、多普勒测速仪、数据处理中心和水声换能器；所述惯性导航系统搭载在无人船和水下AUV上，惯性导航系统进行安装校准后，多艘无人船进行时间同步，完成初始化，惯性导航系统实时高频输出无人船的位置、速度和位置信息；所述水下AUV上根据任务需求搭载测量传感器、机械臂、动力模块、水声应答器和数据处理中心；所述水声换能器安装在无人船的船底，多艘搭载水声换能器的无人船组成长基线定位系统，所述长基线定位系统与惯性导航系统组合，通过长基线水声定位算法对水下AUV进行导航定位；数据处理中心将测得的数据进行数据处理，再对数据进行本地存储后。
[0014]优选地，四艘无人船上的惯性导航系统实时输出高频的三轴加速度和角速度增量，通过积分得到无人船的位置、速度和姿态信息，水下AUV位于正方形的中心点水下深处，无人船通过声学通讯实时接收AUV的几何中心，并自适应调整自己的位置，确保AUV处于几何中心；惯性导航系统给出本身的位置、速度和姿态信息，通过对惯性导航系统和长基线定位系统的深组合，经过自适应神经网络算法得到水下AUV连续的位置信息并预测下一时刻的位置信息，实现对水下AUV的隐蔽导航；船只的控制系统根据自身的惯性导航系统输出的位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，包括：S1.船底的水声换能器以一定的频率发射声学信号，位于AUV上的应答器接收到信号后反射应答信号到水声换能器；S2.当存在三个及以上的海面观测值时，通过距离交会得到最优位置信息，将传播时间作为待估参数一起参与求解以避免传播信号在水下环境延迟带来的误差；S3.使用声线跟踪算法实现精确定位；S4.获得声信号传播时间t
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后，与实际测得的传播时间T
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做差，得到时间差t
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，乘以声速c得到传播距离；S5.进行AUV的隐蔽导航，根据传感器的精度和适用环境的不同，AUV的导航分为两种情景：浅水导航和深水导航，导航传感器的选择根据深度计信息自由切换。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S1包括：通过测量声信号的传播时间乘以声信号传播速度得到距离：，式中表示测距信息，表示声信号传播的声速，表示信号传播时间，，N表示无人船的数量；为水声换能器和应答器之间的欧氏距离；为等效测距误差。3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S3包括：由射线声学基本理论，第i层的声线轨迹曲率为：；式中，表示声信号入射角，s表示信号传播路径，z表示深度，表示掠射角，c为声速；对于等声速梯度层，声速梯度为常数，表示为：；c
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为第i层水层的声速，z
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为第 i层水层的深度，为第i层水层的声信号入射角，为第i层水层的掠射角；声线在层内的实际轨迹为一段圆弧，求出第 i层的 t
i
及水平传播距离 y
i
：：将每段声信号经过的弧进行累加同样，所需的传播时间T
N
和水平位移Y
N
分别为：； ，得到传播时间后获得水声换能器与应答器之间的实际信号经过的路径距离。4.根据权利要求3所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S4包括：声速的确定采用一种自适应方法，声速 c的大小根据AUV所处的深度z
i
确定，将水层分为浅水层和深水层，分别采用不同的声速，则实际的距离L表示为：，其中表示声速是c关于z
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的函数。5.根据权利要求4所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征
在于，S5包括：浅水导航情景：AUV的位置信息为：，式中，表示AUV的位置信息，表示位置融合函数，分别表示通过长基线定位得到的位置和惯导输出的信息经过两次积分得到的位置；AUV的速度信息v1在浅水由惯导系统通过对加速度信息积分得到；AUV的姿态信息为：，式中，A表示AUV的姿态信息，表示姿态融合函数，分别表示通过深度...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢秀山，李国玉，刘以旭，王胜利，
申请(专利权)人：青岛秀山移动测量有限公司，
类型：发明
国别省市：