一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法，涉及水下多潜器协同定位领域。本发明专利技术在距离测量的基础上引入方位测量作为补充，并基于复合测量信息，通过多潜器间的有机协同，在较少通信能耗的前提下，实现了各潜器的分布式数据融合，缓解了潜器惯性测量中累积误差、水下严苛环境等因素对潜器定位性能的影响，达到提升潜器定位精度的目的。的。的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法


[0001]本专利技术涉及水下多潜器协同定位领域，尤其涉及一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法。

技术介绍

[0002]随着水下无人潜航器(简称潜器)技术与设备的不断发展，潜器逐渐在海洋各类应用中扮演着角色。通常，潜器在工作时均是以自身的位置已知为基础。然而，由于水下环境恶劣复杂且缺少GPS定位信号，潜器定位一直是亟需解决的难题。在现有的潜器定位方法中，通常是以提前在相关海域布放的锚节点作为定位时的位置参考来实现潜器的位置估计，典型的定位系统如长基线系统。然而，就我国现阶段海洋设备的布放情况而言，可用于潜器定位的锚节点呈稀疏特性，且覆盖范围有限。同时，恶劣的水下环境也时常会导致锚节点失效。因此，潜器需要经常在缺少锚节点的情况下进行定位。然而，由于惯性测量中累积误差的存在，锚节点的缺失会导致潜器定位误差无限增长。如何在锚节点缺失情况下提升潜器的定位精度是亟需研究和解决的问题。随着多潜器同时使用成为趋势，多潜器协同可以为在缺少锚节点辅助时的潜器定位提供更高的位置估计精度。尽管如此，由于缺少锚节点的辅助信息，不同潜器仅能依靠相互间有限的测量值进行位置估计。因此，充分挖掘多潜器间的可用测量信息并设计相应的协同定位方法是提升潜器定位精度的重要思路。
[0003]综上所述，本专利技术面向缺少锚节点的潜器作业场景，提出一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法。区别于以使用潜器间的相对距离测量为主的传统定位方法，本专利技术在距离测量的基础上引入到达角测量作为补充，并基于复合测量信息进行分布式协同数据融合，以达到提升定位精度的目的。
[0004]国内申请号为202210102709.7的名称为“一种集成超短基线系统的UUV集群协同定位方法”的专利提供了一种基于距离测量和超短基线系统的两级滤波方法，可用于提升主从式潜器集群的协同定位。国内申请号为202111610043.8的名称为“一种双主AUV切换的AUV集群大水深作业的协同导航定位方法”的专利提供了一种面向主从式潜器集群，通过主AUV定期上浮进行位置校正来提升从AUV定位精度的协同定位方法。国内申请号为202210213443.3的名称为“一种基于神经网络的分布式小平台水下纯方位定位方法”的专利提供了一种使用参考节点与待定位潜器间的方位信息的单潜器定位方法。上述方法虽均面向潜器定位问题，但都是单独使用相对距离或方位测量进行方法设计，且未具体考虑潜器惯性测量中累积误差对定位的影响。
[0005]所以现有技术，多数技术是面向存在锚节点辅助的环境下的潜器定位问题；多数技术单独使用不同的测量信息，对不同信息的复合使用较少。对于潜器惯性测量中的累积误差在潜器定位中的影响考虑不足，且未对其具体设计应对方案。
[0006]因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法。通过多潜器间的有机协同，实现各潜器的分布式数据融合，缓解潜器惯性测量中累积误差、水下严苛环境等因素对潜器定位性能的影响，达到提升潜器定位精度的目的。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是：如何使用复合的距离与到达角测量来提升潜器的定位精度；如何有效使用多潜器间的分布式协同来提升多潜器的定位精度；如何设计潜器位置的预测和校正机制以缓解惯性测量中累积误差对协同定位的影响。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、各潜器在传感器校准和自身位置信息初始化后，开始水下航行；
[0010]步骤2、在航行时刻t＜T
thr
时，各潜器仅使用惯性定位，其中，T
thr
的取值取决于惯性测量设备的误差累积速度；
[0011]步骤3、在航行时刻t＝T
thr
时，各潜器间建立通信链接，并开始执行潜器间的协同定位；
[0012]步骤4、各潜器基于自身在时刻(t
‑
1)的位置信息的粒子表征对自身在时刻(t)的位置信息进行预测，各潜器接收从邻居潜器j∈S
i
(S
i
代表邻居潜器的集合)发出的声信号，并使用接收阵列计算到达角测量值各潜器基于自身在时刻(t)的位置预测值和邻居潜器j的位置预测值计算从邻居潜器j到自身的方位估计值计算从邻居潜器j到自身的方位估计值并建立与航向角的关系各潜器使用各潜器使用作为自身在时刻(t)的航向角估计值；在各潜器位置信息预测中，使用上一时刻的航向角估计以及累积不确定性的估计获取用于预测的航向粒子并通过粒子和预测自身在时刻(t)的位置信息的粒子表征；
[0013]步骤5、各潜器将在时刻(t)的位置预测值与相应的不确定性矩阵进行广播，用于邻居潜器生成相对位置表征；
[0014]步骤6、各潜器在时刻(t)基于接收到的邻居潜器广播的位置信息，计算用于自身定位的相对位置表征；
[0015]步骤7、各潜器使用所述步骤4中预测的位置信息和所述步骤6中基于邻居潜器的相对位置信息，计算得到自身在时刻(t)的位置估计。
[0016]进一步地，所述步骤4到所述步骤7应在潜器协同定位的每一时刻均执行一次，即在时刻(t)，各潜器分别顺序执行所述步骤4到所述步骤7，以获取时刻(t)的位置估计；在时刻(t+1)，各潜器应重新执行所述步骤4到所述步骤7，以获取时刻(t+1)的位置估计，以此类推直至潜器航行结束。
[0017]进一步地，所述步骤4包括以下步骤：
[0018]步骤4.1、获取潜器间的到达角测量值；
[0019]潜器i的邻居潜器j发射声信号，声信号到达潜器i处被潜器i搭载的声阵列接收，并通过声信号到达不同阵元的到达时间差，计算得到到达角测量值假设潜器i搭载的声阵列阵元间距为l，水下声速为s，声波到达相邻阵元的时间差为Δt，则潜器i与其它邻居潜器的到达角测量值使用相同方法获得；
[0020]步骤4.2、计算潜器i的航行姿态角；
[0021]潜器i在时刻(t
‑
1)的位置估计值为使用从惯性测量单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值测量单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值
[0022][0023][0024][0025]其中，和分别是潜器i在对应时刻的速率、航向角、俯仰角和深度的测量值，τ代表相邻时刻间的时间长度；潜器j在时刻(t)的位置预测值可使用相同方法得到；
[0026]使用潜器i和潜器j的位置预测值，计算从潜器j到潜器i的方位估计值使用潜器i和潜器j的位置预测值，计算从潜器j到潜器i的方位估计值
[0027]从潜器j的角度，计算潜器i在时刻(t)的航向角估计值从潜器i的其它邻居潜器角度，潜器i在时刻(t)的航向角估计值可使用相同方法获得；
[0028]潜器i在时刻(t)的航向角估计值为其中，S
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、各潜器在传感器校准和自身位置信息初始化后，开始水下航行；步骤2、在航行时刻t＜T
thr
时，各潜器仅使用惯性定位，其中，T
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的取值取决于惯性测量设备的误差累积速度；步骤3、在航行时刻t＝T
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时，各潜器间建立通信链接，并开始执行潜器间的协同定位；步骤4、各潜器基于自身在时刻(t
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1)的位置信息的粒子表征对自身在时刻(t)的位置信息进行预测，各潜器接收从邻居潜器j∈S
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代表邻居潜器的集合)发出的声信号，并使用接收阵列计算到达角测量值各潜器基于自身在时刻(t)的位置预测值和邻居潜器j的位置预测值计算从邻居潜器j到自身的方位估计值计算从邻居潜器j到自身的方位估计值并建立与航向角的关系各潜器使用各潜器使用作为自身在时刻(t)的航向角估计值；在各潜器位置信息预测中，使用上一时刻的航向角估计以及累积不确定性的估计获取用于预测的航向粒子并通过粒子和预测自身在时刻(t)的位置信息的粒子表征；步骤5、各潜器将在时刻(t)的位置预测值与相应的不确定性矩阵进行广播，用于邻居潜器生成相对位置表征；步骤6、各潜器在时刻(t)基于接收到的邻居潜器广播的位置信息，计算用于自身定位的相对位置表征；步骤7、各潜器使用所述步骤4中预测的位置信息和所述步骤6中基于邻居潜器的相对位置信息，计算得到自身在时刻(t)的位置估计。2.如权利要求1所述的基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法，其特征在于，所述步骤4到所述步骤7应在潜器协同定位的每一时刻均执行一次，即在时刻(t)，各潜器分别顺序执行所述步骤4到所述步骤7，以获取时刻(t)的位置估计；在时刻(t+1)，各潜器应重新执行所述步骤4到所述步骤7，以获取时刻(t+1)的位置估计，以此类推直至潜器航行结束。3.如权利要求1所述的基于距离与到达角复合测量的多潜器协同定位方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：步骤4.1、获取潜器间的到达角测量值；潜器i的邻居潜器j发射声信号，声信号到达潜器i处被潜器i搭载的声阵列接收，并通过声信号到达不同阵元的到达时间差，计算得到到达角测量值假设潜器i搭载的声阵
列阵元间距为l，水下声速为s，声波到达相邻阵元的时间差为Δt，则潜器i与其它邻居潜器的到达角测量值使用相同方法获得；步骤4.2、计算潜器i的航行姿态角；潜器i在时刻(t
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1)的位置估计值为使用从惯性测量单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值单元中本地获取的惯性测量值得到潜器i在时刻(t)的位置预测值其中，和分别是潜器i在对应时刻的速率、航向角、俯仰角和深度的测量值，τ代表相邻时刻间的时间长度；潜器j在时刻(t)的位置预测值可使用相同方法得到；使用潜器i和潜器j的位置预测值，计算从潜器j到潜器i的方位估计值使用潜器i和潜器j的位置预测值，计算从潜器j到潜器i的方位估计值从潜器j的角度，计算潜器i在时刻(t)的航向角估计值从潜器i的其它邻居潜器角度，潜器i在时刻(t)的航向角估计值可使用相同方法获得；潜器i在时刻(t)的航向角估计值为其中，S
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代表潜器i的邻居潜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一辰，于文彬，姜良宇，宋磊，关新平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：