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CN118566963B - 一种基于双位置校准切换的深海auv快速组合导航方法 - Google Patents

一种基于双位置校准切换的深海auv快速组合导航方法 Download PDF

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CN118566963B CN202411027887.3A CN202411027887A CN118566963B CN 118566963 B CN118566963 B CN 118566963B CN 202411027887 A CN202411027887 A CN 202411027887A CN 118566963 B CN118566963 B CN 118566963B
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Abstract

本发明公开一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，属于组合导航技术领域，用于AUV组合导航，包括在AUV进行下潜和上浮过程中根据深度、测距和开角判定条件，决定采用LBL/USBL双位置校准模式，AUV在近底作业过程中根据在阵内/阵外判定条件，在阵内以LBL提供位置校准，在阵外则以与阵的距离或观测误差作为判定条件，决定采用LBL/USBL位置校准切换的模式，获取AUV全航程精准的最优轨迹信息，且水声定位均采用提出的简化声速剖面。本发明大幅度简化声速剖面，在保证精度前提下提高水声定位效率，快速实现导航算法计算效率，通过模式切换在任意状态下均能获得最优的组合导航模式。

Description

一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法
技术领域
本发明公开一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，属于组合导航技术领域。
背景技术
AUV上搭载了多种传感器，用于实现本体在深海的自主高精度作业。AUV一般用于深海的精细化地形测绘，通过其本体上搭载的多波束测深传感器，获取精准的海底地形，从而可以为载人潜水器下潜提供精确地图数据。导航定位是AUV实现高精度自主航行的关键技术之一，是AUV的“眼睛”。AUV上可搭载多款用于导航定位的传感器，包括卫星定位系统、惯性导航系统、水声定位系统、多普勒计程仪系统以及高度计和深度计等，通过多传感器基础技术和算法可实现高精度组合导航定位。水声定位系统又主要包括长基线定位系统和超短基线定位系统，其中长基线的优势是定位精度高，但布设海底基准点困难、成本高；超短基线的优势是使用方便灵活，但精度较低。利用单一传感器实现定位是可行的，例如利用卫星定位系统实现AUV水面定位，或利用水声定位实现水下定位。但单传感器存在局限性且精度无法保障，降低了可靠性。AUV的导航多以多传感器组合导航定位为主，即以惯性导航系统为基础导航系统，辅助以其它系统。目前AUV主要以惯导系统/超短基线定位系统/多普勒系统的模式为主，通过超短基线校准惯导系统的位置偏移，通过多普勒校准速度偏移。以惯导系统/超短基线定位系统/多普勒系统的模式的缺点是声学校准模式单一，在浅水和深水的定位精度不同，无法实现最优导航。如果把超短基线定位系统替换为长基线定位系统，同样存在浅水和深水定位精度不同，且阵内阵外精度不同。此外，声速剖面的精度和复杂度是影响定位精度和定位效率的关键，针对该问题需要对声速剖面进行简化处理提高计算效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，以解决现有技术中，声速剖面简化难导致水下组合导航精度不足的问题。
一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，包括：
S1搭载AUV的母船到达作业海域后，进行水声剖面测量、温盐深仪测量和海底基准点的布放和校准，AUV下潜前通过水面GPS定位获得大地坐标系下初始位置，完成AUV位置校准；
S2AUV下潜阶段采用捷联惯性导航系统SINS和深度计组合导航，使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行长基线LBL或超短基线USBL定位，根据下潜深度、测距和开角判定条件实时判定下潜阶段的导航方式，下潜阶段的导航方式包括LBL+SINS+深度计或USBL+SINS+深度计；
S3AUV到达近海底作业区域后，多普勒计程仪DVL在近底300米进行速度校准，判定AUV所处位置；
若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
S4AUV上浮至距底300米后，若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+深度计的组合导航模式；
S5当AUV浮出水面后，接收GPS信号获得结束位置信息，完成AUV的回收。
基于梯度差的水声剖面简化方法包括，基于梯度差提取部分声速点，将已有水声剖面进行简化，然后使用简化的水声剖面参与声线跟踪计算。
将已有水声剖面进行简化包括，T1声速梯度为：
；
式中，和分别表示第层和第层声速，和表示第层和第层水层厚度。
将已有水声剖面进行简化包括，T2对水声剖面进行第一轮简化，设定一个浏览的窗口，窗口的大小为相邻的3个声速点，前3个声速点确定，第2、第3、第4个声速点确定……第、第、第个声速点确定；设定阈值，将两个邻近的相减得到差值，如果，舍去3个声速点中的第2个声速点，如果，则3个声速点均保留，窗口以第3个点为起始点往后移动，直到遍历水声剖面上所有的声速点，如果最后剩余1个或2个声速点不满一个窗口，则直接保留最后一个声速点。
将已有水声剖面进行简化包括，T3对水声剖面进行第二轮简化，根据第一轮简化后的水声剖面，重新设置窗口，设置窗口的声速点为第一轮简化后的各窗口的声速中点，使用与第一轮简化相同的阈值判断方法进行第二轮简化。
将已有水声剖面进行简化包括，T4采用傅里叶拟合方法进行梯度拟合，建立傅里叶变换方程：
；；；
；；
式中，是傅里叶拟合结果，常数项，是正整数，表示正弦波，表示余弦波，表示待拟合的变量，表示周期。
将已有水声剖面进行简化包括，T5采集函数图像中的凸点，计算最大偏移量Smax，结合偏移量判断阈值E，若Smax>E时，删除Smax对应的梯度点并合并断层，返回计算计算最大偏移量；
若Smax≤E，则输出简化后的水声剖面。
将已有水声剖面进行简化包括，T6将T5处理后的声速剖面数据结合原始声速剖面用于声线跟踪定位算法，将声线跟踪定位算法的结果与原始声速剖面数据进行比较，如果符合精度要求，则输出结果，否则调整阈值E，重新输出声速剖面。
使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行超短基线USBL定位包括，USBL的阵元接收信号的时延差为：
，
式中，表示阵元接收信号的时延差，为阵元间距，、表示声线与横轴、纵轴的夹角，表示声速，表示测时误差。
USBL定位模型为：
；
式中，表示USBL定位结果，表示定位函数，表示斜距，表示定位误差，表示使用基于梯度差的水声剖面简化方法处理后的水声剖面。
相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明大幅度简化声速剖面，在保证精度前提下提高水声定位效率，快速实现导航算法计算效率，通过模式切换在任意状态下均能获得最优的组合导航模式。
附图说明
图1是原始声速剖面图；
图2是原始声速梯度图；
图3是傅里叶展开阶数1阶拟合效果图；
图4是傅里叶展开阶数3阶拟合效果图；
图5是傅里叶展开阶数10阶拟合效果图；
图6是1阶声速剖面简化图；
图7是3阶声速剖面简化图；
图8是10阶声速剖面简化图；
图9是展开阶数和简化率、RMS的关系图；
图10是阈值和简化率、RMS的关系图；
图11是声速剖面简化定位的总体流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，包括：
S1搭载AUV的母船到达作业海域后，进行水声剖面测量、温盐深仪测量和海底基准点的布放和校准，AUV下潜前通过水面GPS定位获得大地坐标系下初始位置，完成AUV位置校准；
S2AUV下潜阶段采用捷联惯性导航系统SINS和深度计组合导航，使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行长基线LBL或超短基线USBL定位，根据下潜深度、测距和开角判定条件实时判定下潜阶段的导航方式，下潜阶段的导航方式包括LBL+SINS+深度计或USBL+SINS+深度计；
S3AUV到达近海底作业区域后，多普勒计程仪DVL在近底300米进行速度校准，判定AUV所处位置；
若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
S4AUV上浮至距底300米后，若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+深度计的组合导航模式；
S5当AUV浮出水面后，接收GPS信号获得结束位置信息，完成AUV的回收。
基于梯度差的水声剖面简化方法包括，基于梯度差提取部分声速点，将已有水声剖面进行简化，然后使用简化的水声剖面参与声线跟踪计算。
将已有水声剖面进行简化包括，T1声速梯度为：
；
式中，和分别表示第层和第层声速，和表示第层和第层水层厚度。
将已有水声剖面进行简化包括，T2对水声剖面进行第一轮简化，设定一个浏览的窗口，窗口的大小为相邻的3个声速点，前3个声速点确定，第2、第3、第4个声速点确定……第、第、第个声速点确定；设定阈值，将两个邻近的相减得到差值，如果，舍去3个声速点中的第2个声速点，如果，则3个声速点均保留，窗口以第3个点为起始点往后移动，直到遍历水声剖面上所有的声速点，如果最后剩余1个或2个声速点不满一个窗口，则直接保留最后一个声速点。
将已有水声剖面进行简化包括，T3对水声剖面进行第二轮简化，根据第一轮简化后的水声剖面，重新设置窗口，设置窗口的声速点为第一轮简化后的各窗口的声速中点，使用与第一轮简化相同的阈值判断方法进行第二轮简化。
将已有水声剖面进行简化包括，T4采用傅里叶拟合方法进行梯度拟合，建立傅里叶变换方程：
；；；
；；
式中，是傅里叶拟合结果，常数项，是正整数，表示正弦波，表示余弦波，表示待拟合的变量，表示周期。
将已有水声剖面进行简化包括，T5采集函数图像中的凸点，计算最大偏移量Smax，结合偏移量判断阈值E，若Smax>E时，删除Smax对应的梯度点并合并断层，返回计算计算最大偏移量；
若Smax≤E，则输出简化后的水声剖面。
将已有水声剖面进行简化包括，T6将T5处理后的声速剖面数据结合原始声速剖面用于声线跟踪定位算法，将声线跟踪定位算法的结果与原始声速剖面数据进行比较，如果符合精度要求，则输出结果，否则调整阈值E，重新输出声速剖面。
使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行超短基线USBL定位包括，USBL的阵元接收信号的时延差为：
，
式中，表示阵元接收信号的时延差，为阵元间距，、表示声线与横轴、纵轴的夹角，表示声速，表示测时误差。
USBL定位模型为：
；
式中，表示USBL定位结果，表示定位函数，表示斜距，表示定位误差，表示使用基于梯度差的水声剖面简化方法处理后的水声剖面。
本发明使用的原始声速剖面和原始声速梯度如图1和图2所示。对于深海AUV定位，受声线弯曲误差的影响需进行误差修正，声线跟踪定位可以削弱声速误差，但在使用高分辨率声速剖面SVP计算时效率低，因此需要在计算精度和效率之间进行平衡处理，进而在不降低定位精度前提下提高定位效率，声速梯度可以表示声速随深度的变化率，符号有正负。本发明根据梯度差特征点提取获得梯度变化明显的点，将已有SVP进行重新分层，将数据量庞大的SVP快速精简，舍去多余、重复数据的同时，又保留了SVP上变化明显的特征点，然后将精简化后的SVP参与声线跟踪计算，在保留定位精度的前提下，提高计算效率。
考虑海洋中的水平梯度时，需要三维声线跟踪定位模型，但在实践中，由于海洋声场的水平梯度较小，二维声线和三维声线在水平方向上的差异很小，使用二维声线近似仍然可行。根据SVP不同深度、不同季节的情况，其梯度结构不同，难以用多项式拟合方法表达，采用傅里叶拟合方法进行梯度拟合，傅里叶展开阶数1阶、3阶、10阶拟合效果如图3、图4和图5所示，根据测量的声速剖面数据集，对不同阈值下的简化声速剖面算法进行了分析。声速梯度的变化与水深密切相关，针对这一特点，首先分析了浅海声速剖面的梯度和拟合，并需要讨论不同展开阶段和阈值的选择标准。这需要通过两组实验来验证，分别确定阈值和展开阶数。首先利用声线跟踪定位算法进行定位实验，以验证所提算法的可行性。
在E=0.1时，对1阶、3阶、10阶声速剖面进行简化，结果如图6、图7和图8所示，声速剖面的处理不仅是一个简化过程，还包括反馈评估。具体来说，在获得声学定位观测数据后，简化的声速剖面和原始声速剖面将分别用于声线跟踪算法，评估两个定位误差的方差：
；
式中，、、为坐标定位的偏差，设计声速简化率评价指标为：
；
式中，和分别为简化后的保留速度点和原始速度点的数量。
和的结果如表1所示。
表1和的结果
；
为验证傅里叶展开阶数和阈值选取对简化率和定位偏差的影响，进行相关性分析，展开阶数和简化率、RMS的关系如图9所示，阈值和简化率、RMS的关系如图10所示，不同展开阶数下简化率和RMS，随着展开阶数增加，简化率迅速降低，当n=2时，均方根值迅速下降到可接受的值，并且RMS精度也满足定位需求。当阈值低于0.1m/s时，SVP简化率迅速下降。此外，当阈值大于0.2m/s时，有效值会急剧上升。综合这两个因素，最佳阈值介于0.1m/s和0.2m/s之间。
声速剖面简化定位的总体流程如图11所示，由原始声速剖面计算声速梯度，进行傅里叶拟合得到梯度函数，计算最大偏移量，在遍历所有点后，若最大偏移量大于阈值，则合并剖面并返回计算最大偏移量，若最大偏移量小于阈值，输出简化声速剖面，并联合原始声速剖面计进行声线跟踪定位，判断RMS和Rate，满足要求则输出结果，否则返回判断最大偏移量和阈值。
AUV在入水开始下潜后，GPS失效，SINS短时间内有很好的精度保证AUV进行导航，但一段时间随着漂移误差增加后结果变差；
初始阶段下潜深度较浅时，在合理开角（一般小于60度）内USBL定位精度高，通过USBL位置对SINS进行更新校准，提高SINS结果可靠性，建立15维状态方程：
；
其中，表示三维位置误差，表示三维速度误差，表示三维姿态误差，表示三维陀螺仪随机漂移，表示加速度计零偏，同时建立顾及SINS和USBL位置差的量测方程为：
；
其中，Zp表示位置量测值，Psins和Pusbl分别表示SINS位置量测值和USBL提供的位置观测值，由于观测数据对称性问题，定位的垂向精度相对于水平方向精度差，为了保证USBL定位结果，将深度计数据融合，提供深度的强约束，公式如下：
；
其中，表示USBL定位的横坐标，表示USBL定位的纵坐标，表示深度计提供的z坐标，初始定位方式可通过下潜前航迹设定时一同设定；
随着下潜深度/测距/开角的增加，USBL定位精度逐渐变差，不能提供最优位置信息，母船水面控制室可以根据下潜判定条件（深度/测距/开角），决定是否进行USBL和LBL位置校准方式的切换，判定条件如下：深度H>1500米，测距>3000米，开角>60度，如果满足三个条件之一，USBL切换至LBL，切换至LBL定位后，状态方程不变，量测方程公式更新为：
；
其中，Plbl表示LBL提供的位置观测值，并有：
；
其中，表示LBL定位的横坐标，表示LBL定位的纵坐标，变换校准方式，可通过母船上安装的声学通信系统，发射预设定指令至AUV，信号间隔可设为8秒。
AUV到达近海底作业区域后，DVL可在距海底300米开始工作，DVL以俯角发射波束，波束到达海底后反射到换能器，受多普勒效应作用产生多普勒频移，可得到载体相对于海底和海流的运动速度，用以修正SINS速度的漂移，在15维状态方程基础上加入DVL误差参数，建立18维状态方程：
；
其中，是DVL相关误差，包括速度误差、偏流角误差、刻度系数误差，此时量测公式为：
；
其中，Zv表示速度量测值，Vsins和Vdvl分别表示SINS速度量测值和DVL提供的速度观测值；
根据预先布置的LBL基准阵，母船监控间可实时监控AUV所在位置及与基准阵的空间位置关系，若AUV在阵内，采用LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
若AUV在阵外，根据判定条件，判定条件如下：距离D>1500米，LBL定位误差大于原误差的1.5倍，SINS误差大于原误差的1.5倍，满足三个条件之一，LBL切换至USBL，切换至USBL定位后，采用USBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
多传感器的数据融合采用预测调制神经网络算法，处理级由三个不同的神经群体构成：重构神经元r、误差神经元e和预测神经元。每个神经群体的激活函数在以下方程中给出：
；
其中，V是m×n维的抑制权重矩阵，X是m×1维的输入，W是m×n维的激励权重矩阵，抑制性权重V是兴奋性权重W的转置，前提要用最大值按列标准化，权阵中包含了环境中的先验信息，这对数据融合非常重要，设和为10-6，来防止预测神经元的无效性，表示特征融合；
根据AUV工作测线和判定条件，确定AUV在阵内和阵外的导航定位模式，进行双位置校准模式的切换导航模式。
AUV完成海底勘探调查任务后，开始上浮回收，开始阶段仍保持原有导航方式，上浮至距海底300米后DVL失效，不再提供速度校准，此时导航方式转变；
判定AUV上浮至距海底300米后是阵内阵外，若在阵内，采用LBL+SINS+深度计的组合导航模式，观测方程公式如上，若在阵外且距离D<1500米或定位误差小于原来1.5倍或SINS累加误差小于原误差1.5倍，采用LBL+SINS+深度计的组合导航模式，若在阵外且距离D>1500米或定位误差大于原来1.5倍或SINS累加误差大于原误差1.5倍，采用USBL+SINS+深度计；上浮过程中还应根据深度/测距/测角再次进行判定。
AUV在完成上浮过程后至水面，此时AUV上搭载的GPS天线可以再次接收GPS信号获得精确的位置信息；船载关闭USBL定位设备，回收定位吊阵，关闭声通信设备，回收通信吊阵，回收AUV。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，包括：
S1搭载AUV的母船到达作业海域后，进行水声剖面测量、温盐深仪测量和海底基准点的布放和校准，AUV下潜前通过水面GPS定位获得大地坐标系下初始位置，完成AUV位置校准；
S2AUV下潜阶段采用捷联惯性导航系统SINS和深度计组合导航，使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行长基线LBL或超短基线USBL定位，根据下潜深度、测距和开角判定条件实时判定下潜阶段的导航方式，下潜阶段的导航方式包括LBL+SINS+深度计或USBL+SINS+深度计；
S3AUV到达近海底作业区域后，多普勒计程仪DVL在近底300米进行速度校准，判定AUV所处位置；
若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+DVL+深度计的组合导航模式；
S4AUV上浮至距底300米后，若AUV在基准阵内，采用LBL+SINS+深度计的组合导航模式；
若AUV在基准阵外，根据距离和观测误差判定条件，进行双位置校准模式的切换导航模式，包括LBL+SINS+深度计的组合导航模式和USBL+SINS+深度计的组合导航模式；
S5当AUV浮出水面后，接收GPS信号获得结束位置信息，完成AUV的回收。
2.根据权利要求1所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，基于梯度差的水声剖面简化方法包括，基于梯度差提取部分声速点，将已有水声剖面进行简化，然后使用简化的水声剖面参与声线跟踪计算。
3.根据权利要求2所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T1声速梯度为：
；
式中，和分别表示第层和第层声速，和表示第层和第层水层厚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T2对水声剖面进行第一轮简化，设定一个浏览的窗口，窗口的大小为相邻的3个声速点，前3个声速点确定，第2、第3、第4个声速点确定……第、第、第个声速点确定；设定阈值，将两个邻近的相减得到差值，如果，舍去3个声速点中的第2个声速点，如果，则3个声速点均保留，窗口以第3个点为起始点往后移动，直到遍历水声剖面上所有的声速点，如果最后剩余1个或2个声速点不满一个窗口，则直接保留最后一个声速点。
5.根据权利要求4所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T3对水声剖面进行第二轮简化，根据第一轮简化后的水声剖面，重新设置窗口，设置窗口的声速点为第一轮简化后的各窗口的声速中点，使用与第一轮简化相同的阈值判断方法进行第二轮简化。
6.根据权利要求5所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T4采用傅里叶拟合方法进行梯度拟合，建立傅里叶变换方程：
；；；
；；
式中，是傅里叶拟合结果，常数项，是正整数，表示正弦波，表示余弦波，表示待拟合的变量，表示周期。
7.根据权利要求6所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T5采集函数图像中的凸点，计算最大偏移量Smax，结合偏移量判断阈值E，若Smax>E时，删除Smax对应的梯度点并合并断层，返回计算计算最大偏移量；
若Smax≤E，则输出简化后的水声剖面。
8.根据权利要求7所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，将已有水声剖面进行简化包括，T6将T5处理后的声速剖面数据结合原始声速剖面用于声线跟踪定位算法，将声线跟踪定位算法的结果与原始声速剖面数据进行比较，如果符合精度要求，则输出结果，否则调整阈值E，重新输出声速剖面。
9.根据权利要求1所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，使用基于梯度差的水声剖面简化方法进行超短基线USBL定位包括，USBL的阵元接收信号的时延差为：
，
式中，表示阵元接收信号的时延差，为阵元间距，、表示声线与横轴、纵轴的夹角，表示声速，表示测时误差。
10.根据权利要求9所述的一种基于双位置校准切换的深海AUV快速组合导航方法，其特征在于，USBL定位模型为：
；
式中，表示USBL定位结果，表示定位函数，表示斜距，表示定位误差，表示使用基于梯度差的水声剖面简化方法处理后的水声剖面。
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