一种基于双移动信标的AUV水下声学定位方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双移动信标的AUV水下声学定位方法，其特征在于双移动信标由两艘USV来担任，在两艘USV上分别安装有差分GPS、航向与航向角速度传感器及声定位与通讯声纳，AUV上安装有航向、航速、航向角速度传感器及声定位与通讯声纳。两艘USV上的声定位与通讯声纳周期性地发出声定位信号，并将自身的位置发送给AUV。当AUV接收到USV的声定位信号和位置坐标后，利用扩展卡尔曼滤波器进行水下定位；同时，AUV将测量和定位的结果通过声定位与通讯声纳发送给两艘USV，使两艘USV以AUV为领航者随AUV一起编队运动，并与AUV之间的距离稳定到最小安全距离，与AUV连线之间的夹角稳定到π/2。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于双移动信标的AUV水下声学定位方法，属于水下导航定位

技术介绍
AUV (Autonomous Underwater Vehicle)作为一种水下自主运载工具，在海底地形地貌探测、海军反水雷作战等诸多方面发挥极其重要的作用。但是，AUV要完成上述这些任务，必须解决AUV在水下的高精度定位问题。由于AUV上装有深度传感器，可以测量AUV在水下航行时的深度，因此AUV在水下的三维定位问题可以转化为二维平面内的定位问题。目前，满足AUV水下高精度定位的方法主要是声学定位方法。主要有(I)基于单一固定信标的声学定位方法。该方法需要事先将一个信标固定在海底，并测出信标的坐标。使用时，给AUV装订信标的坐标，并实时测量出AUV与信标的距离，从而可解算出AUV相对于信标的位置。该方法主要缺点是AUV只能在布设信标的有限区域内进行定位，而且由于可观测性差，AUV必须机动才能定位。(2)基于多个固定信标的长基线声学定位方法。该方法需要事先将3 4个信标固定在海底，并测出信标的坐标。使用时，给AUV装订信标的坐标，并实时测量出AUV与各个信标的距离，从而可解算出AUV相对于各个信标的位置。该方法主要缺点是AUV只能在布设信标的有限区域内进行定位，而且信标的布放、校正非常烦琐。(3)基于多个GPS浮标的长基线声学定位方法。该方法需要事先将3 4个GPS浮标布放到海面。使用时，各个GPS浮标通过差分GPS可实时测量出自身的位置，并测量出与AUV的距离，分别通过无线通讯发送到解算中心，从而可确定AUV的位置。该方法可避免信标复杂的布放和校正过程，但AUV也只能在布设GPS浮标的有限区域内进行定位。
技术实现思路
为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于双移动信标的AUV水下定位方法，如图I所示，其特征在于双移动信标由两艘USV来担任，在两艘USV上分别安装有差分GPS、航向与航向角速度传感器及声定位与通讯声纳，AUV上安装有航向、航速、航向角速度传感器及声定位与通讯声纳。两艘USV上的声定位与通讯声纳周期性发出声定位信号，同时将自身的位置发送给AUV，如图2所示。当AUV上的声定位与通讯声纳接收到两艘USV发送来的声定位信号和位置信息后，利用扩展卡尔曼滤波器进行水下定位。同时，AUV将航速、航向角速度传感器的测量值和定位解算的结果通过声定位与通讯声纳发送给两艘USV，使两艘USV以AUV为领航者随AUV —起编队航行，并与AUV之间的距离稳定到最小航行安全距离，与AUV连线之间的夹角稳定到/2。步骤如下步骤I :利用GPS的同步时钟信号PPS对AUV和两艘USV进行时钟同步，然后将AUV与两艘USV布放入水；所述AUV的初始状态向量为X(O) = T，其中x、y为AUV水平面内的位置，￥为AUV的航向角，(X (0)，y (0))可根据AUV布放时GPS的测量、值进行事先设定，V(O)由AUV上的航向传感器测量得到；所述第一艘USV的初始状态向量为Xul(O) = T，其中xul、yul为第一艘USV水平面内的位置，Vul为第一艘USV的航向角；所述第二艘USV的初始状态向量为Xu2(O) = T，其中xu2、yu2为第二艘USV水平面内的位置，￥u2为第二艘USV的航向角。Xul(O)和Xu2(O)可由两艘USV上的差分GPS和航向传感器 测量得到； 步骤2 =AUV开始下潜航行，在第k个采样时刻，两艘USV通过声定位与通讯声纳发出声定位信号，并将自身的位置信息(xul(k)，yul(k))、(Xu2 (k), Yu2 (k))发送给AUV;同时AUV利用自身的航速、航向、航向角速度传感器分别测量出在k采样时刻的航速V (k)、航向V (k)、航向角速度W (!^，其测量噪声协方差矩阵为以幻=^^^#^^ al(k) al(k)\，Q(k)可根据AUV上航速、航向、航向角速度传感器的性能事先设定为常值矩阵；步骤3 : AUV利用扩展卡尔曼滤波器对AUV的状态进行预测，其中AUV扩展卡尔曼滤波器的滤波初值爻(0 I 0) = X(O)，AUV状态估计误差协方差矩阵的初值为P(0\0) = diag[a2x a； O 0且事先设定为常值矩阵，采样周期为T。具体步骤为计算AUV在第k个采样时刻的状态预测值权利要求1.一种基于双移动信标的AUV水下声学定位方法，其特征在于双移动信标由两艘USV来担任，在两艘USV上分别安装有差分GPS、航向与航向角速度传感器及声定位与通讯声纳，AUV上安装有航向、航速、航向角速度传感器及声定位与通讯声纳；两艘USV上的声定位与通讯声纳周期性发出声定位信号，同时将自身的位置发送给AUV ;具体步骤如下 步骤I :利用GPS的同步时钟信号PPS对AUV和两艘USV进行时钟同步，然后将AUV与两艘USV布放入水；所述AUV的初始状态向量为X(O) = T，其中x、y为AUV水平面内的位置，V为AUV的航向角，(x(0)，y(0))可根据AUV布放时GPS的测量值进行事先设定，V(O)由AUV上的航向传感器测量得到；所述第一艘USV的初始状态向量为xul (0) = T，其中^^、丫也为第一艘旧乂/欠平面内的位置，Vul为第一艘USV的航向角；所述第二艘USV的初始状态向量为Xu2(O) = 1,其中Xu2、yu2为第二艘USV水平面内的位置，Vu2为第二艘USV的航向角。Xul (0)和Xu2(0)可由两艘USV上的差分GPS和航向传感器测量得到； 步骤2 =AUV开始下潜航行，在第k个采样时刻，两艘USV通过声定位与通讯声纳发出声定位信号，并将自身的位置信息(xul (k)，yul (k))、(Xu2 (k)，Yu2 (k))发送给AUV ;同时AUV利用自身的航速、航向、航向角速度传感器分别测量出在k采样时刻的航速V(k)、航向v(k)、航向角速度《 (k)，其测量噪声协方差矩阵为2(幻= AagWw al(k)弋oJ，Q(k)可根据AUV上航速、航向、航向角速度传感器的性能事先设定为常值矩阵； 步骤3 :AUV利用扩展卡尔曼滤波器对AUV的状态进行预测，其中AUV扩展卡尔曼滤波器的滤波初值爻(0 I 0) = AT(O)，AUV状态估计误差协方差矩阵的初值为P(0\0) = diag[a2x a； O 0且事先设定为常值矩阵，采样周期为T。具体步骤为 计算AUV在第k个采样时刻的状态预测值全文摘要本专利技术涉及一种基于双移动信标的AUV水下声学定位方法，其特征在于双移动信标由两艘USV来担任，在两艘USV上分别安装有差分GPS、航向与航向角速度传感器及声定位与通讯声纳，AUV上安装有航向、航速、航向角速度传感器及声定位与通讯声纳。两艘USV上的声定位与通讯声纳周期性地发出声定位信号，并将自身的位置发送给AUV。当AUV接收到USV的声定位信号和位置坐标后，利用扩展卡尔曼滤波器进行水下定位；同时，AUV将测量和定位的结果通过声定位与通讯声纳发送给两艘USV，使两艘USV以AUV为领航者随AUV一起编队运动，并与AUV之间的距离稳定到最小安全距离，与AUV连线之间的夹角稳定到π/2。文档编号G01S1/76GK102636771SQ20121012403本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严卫生，房新鹏，崔荣鑫，高剑，张立川，张福斌，王银涛，刘明雍，彭星光，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：