一种基于单信标的水下蛙人自导航方法技术

一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，用于为水下作业的蛙人提供其自身位置信息。该方法预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。蛙人开始运动时，首先根据其初始位置经航位推算系统实现自主定位，同时利用测距仪测出蛙人与单信标之间的距离，利用深度计测量蛙人所在位置的深度信息；当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；随后列写蛙人与虚拟信标之间满足的测距方程组，通过最小二乘法求解该方程组，实现蛙人的水下自导航。

An underwater frog self-navigation method based on single beacon

【技术实现步骤摘要】
一种基于单信标的水下蛙人自导航方法
本专利技术涉及一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，利用蛙人自身携带的单信标水声测距装置、DVL、姿态传感器以及深度计，确定蛙人所处位置。适用于为水下作业的蛙人提供自导航服务。
技术介绍
随着科技的不断发达，水下工程工作这一工种在近年来发展较为迅速，水下施工工作的分类也越来越繁多，蛙人在水下打捞、水下清淤、水下堵漏、水下摄影、水下检修、水下安装、水下救援等领域应用广泛。水下环境与水上有着很大区别：(1)能见度低，目视距离只有几米；(2)方向感差；(3)通信困难。当蛙人需要长时间、大范围水下作业时，无法搜索或准确到达预定目标，容易在水下失去方向。这将直接关系蛙人水下作业效果或作战任务成败，甚至危及蛙人生命安全，也是蛙人水下系统寻求解决的主要问题。因此，为了保障蛙人的生命安全，提高其水下作业任务的完成质量，满足国家有关部门对于蛙人所需达到的技术要求，需要对蛙人水下定位系统的可靠性与准确性进行研究。蛙人自导航，是指蛙人通过自身携带的传感器以及测量设备，获取其所在位置信息的导航定位方法。与无线电波和光波相比，声波在水中传播吸收损失很小，传播距离甚至可达数百公里，利用声学原理进行定位的水声定位系统，已逐渐成为对水下航行器定位和导航的重要方式。目前，在水下较短距离内的精确导航定位领域，水下声学定位技术是广泛使用的主流技术，近几年来发展非常迅速。声学定位系统根据基线的长度不同，可以分为：长基线(LongBaseline，简称LBL)、短基线(ShortBaseline，简称SBL)和超短基线(UltraShortBaseline，简称USBL或SSBL)3种类型。长基线系统定位精度最高，但系统复杂，需提前在海底布放多个信标；短基线和超短基线系统虽无需布置海底信标，但定位精度较低。对定位精度与信标系统布放的复杂程度进行综合考量，基于单信标测距的导航方法成为了目前发展水下导航定位技术的新方向。一方面，该方法避免了水下信标与蛙人之间的方位测量(由于水下环境的复杂性，依靠水声手段来测量方位难度较大)，提高了量测数据的可靠性，且测量原理简单，易于施行；另一方面，该方法能有效降低硬件复杂性和安装复杂性，无需事先布放海底基阵和水面船只等辅助设备，使用成本较低，特别适于解决潜水员、蛙人等水下作业人员的水下定位问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：综合考量传统水声定位方法的定位精度与系统信标布放的复杂程度，提出一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，该方法预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。本专利技术的技术解决方案为：一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其特点在于通过下列步骤实现：(1)预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置；(2)当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；(3)利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。所述步骤(2)中的虚拟信标阵列构建方法为：声信标通过锚系结构布放于海底，并预先标定得到信标在大地坐标系下的地理位置XAT＝(xt，yt，zt)T，利用声信号传播的时间确定蛙人与海底声信标之间的距离r。对于第i个和i+1个测距周期，对应的声学测距观测方程为：结合水下蛙人工作时的运动参数，设第i个测距周期时水下蛙人的运动速度为Vbi＝(vxi，vyi，vzi)T，测距周期为T，则相邻测距周期的水下蛙人位置关系满足：将上述式子整理可得：构建声学测距观测方程时，利用的是水下蛙人在不同位置时与海底声信标得测量距离。如果把其中的xt+vxi·T、yt+vyi·T和zt+vzi·T作为一个整体，这就相当于把蛙人的运动参数传递给了实际布放的声信标XAT＝(xt,yt,zt)T，则测距方程的物理意义变成水下蛙人在Xb(i+1)处与不同声信标的声学测距。其中，虚拟信标VT＝(xt+vxi·T,yt+vyi·T,zt+vzi·T)T所述步骤(3)中的测距方程解算蛙人位置方法为：当蛙人位于水下Xbn处时，根据相邻测距周期的水下蛙人位置关系，得到：所以，第i个测距周期的水下蛙人位置Xbi与Xbn的关系满足：则第i个测距周期对应的测距方程可以写成利用虚拟信标VT的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：‖Xbn-VTi‖＝ri将上述各式整理后，采用最小二乘即可解算得到蛙人的当前位置Xbn：Xbn＝(ATA)-1ATB其中，Ai＝(VTi-VTi-1)T本专利技术的原理是：预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。使蛙人通过自身携带的传感器以及测量设备，即可获取其所在位置信息。蛙人开始运动时，首先根据其初始位置经航位推算系统实现自主定位，同时利用测距仪测出蛙人与单信标之间的距离，利用深度计测量蛙人所在位置的深度信息；当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；随后列写蛙人与虚拟信标之间满足的测距方程组，通过最小二乘法求解该方程组，实现蛙人的水下自导航。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)单信标水声测距系统，只需预先在海底布放一个声信标并对其位置进行标定，系统结构简单，无需事先布放海底基阵和水面船只等辅助设备，能有效降低硬件复杂性和安装复杂性。姿态传感器可以连续输出水下蛙人的运动方向及姿态信息，DVL是根据多普勒效应进行速度检测的传感器，可以获得水下蛙人在载体系下的速度信息，深度计可以输出蛙人所在位置的深度信息，测量精度较高。(2)该方法避免了水下信标与蛙人之间的方位测量(由于水下环境的复杂性，依靠水声手段来测量方位难度较大)，提高了量测数据的可靠性。利用深度计获得精度较高的蛙人深度信息后，可以将水下蛙人的三维位置解算转化为二维位置解算，降低了算法的复杂程度，也提高了定位的准确性。附图说明图1为本专利技术涉及基于单信标的水下蛙人自导航方法流程图；图2为本专利技术涉及虚拟信标阵列示意图。具体实施方式本专利技术技术解决方案的具体实施步骤如图1所示，虚拟信标阵列示意图如图2所示，具体实施步骤如下：1、预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置。信标标定采用的方法是利用水面母船在水面规划航迹的不同位置与单海底声信标进行声学测距，构成反转长基线进行信标标定，其中水面母船的位置由GPS提供，常用的规划航迹是信标深度为半径的圆形航迹。2、当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列。结合水下蛙人工作时的运动参数，设第i个测距周期时DVL输出为Vbi＝(vxi，vyi，vzi)T，测距周期为T，则相邻测距周期的水下蛙人位置关系满足：经整理可得：构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其特点在于：(1)预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置；(2)当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；(3)利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其特点在于：(1)预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置；(2)当满足构建虚拟信标阵列的条件之后，利用蛙人携带的多普勒测速仪以及姿态传感器输出的速度与姿态信息，结合单信标所在位置，构建虚拟信标阵列；(3)利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。2.根据权利要求1所述的一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其特征在于：综合了单信标水声测距、姿态传感器、DVL以及深度计四种传感器的不同特点，获取水下蛙人所在位置信息。单信标水声测距系统，只需预先在海底布放一个声信标并对其位置进行标定，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延顺，王楠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11