張福斌, 張永清

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一種利用單信標(biāo)修正AUV定位誤差的方法

張福斌, 張永清

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對(duì)配置有捷聯(lián)慣導(dǎo)(SINS)/多普勒速度儀(DVL)/深度傳感器組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)的自主水下航行器(AUV)的定位誤差隨時(shí)間增大, 以及采用GPS修正定位誤差引起的AUV隱蔽性降低等問(wèn)題, 提出了一種利用水下固定單信標(biāo)修正SINS/DVL/深度傳感器組合定位誤差的方法。該方法首先利用水聲測(cè)距原理測(cè)量出AUV與水下固定單信標(biāo)的距離, 然后基于空間幾何關(guān)系計(jì)算出AUV的實(shí)時(shí)位置, 最后通過(guò)卡爾曼濾波連續(xù)修正AUV的定位誤差。仿真結(jié)果表明, 該方法可以有效減小AUV的定位誤差, 有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

自主水下航行器; 組合導(dǎo)航定位系統(tǒng); 定位誤差; 單信標(biāo)

0 引言

精確的導(dǎo)航定位是自主水下航行器(autono-mous underwater vehicle, AUV)完成任務(wù)的重要保證。AUV傳統(tǒng)導(dǎo)航方法主要采用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(strapdown inertial navigation system,SINS)、多普勒測(cè)速儀(Doppler velocity logger, DVL)、深度傳感器和全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)[1-4]。AUV的航行深度一般采用深度傳感器直接測(cè)量, 當(dāng)AUV潛入水中時(shí), 以DVL輔助SINS實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位。由于DVL輔助SINS進(jìn)行導(dǎo)航定位過(guò)程中, 定位誤差隨時(shí)間增大, 故AUV每隔一段時(shí)間, 需要上浮到近水面, 通過(guò)其上安裝的GPS天線, 接收GPS信號(hào), 對(duì)累積的定位誤差進(jìn)行修正, 由此使得AUV的航行隱蔽性降低。另外, 當(dāng)AUV作業(yè)深度較大時(shí), 上浮接收GPS信號(hào)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致AUV產(chǎn)生較大能源消耗。

為延長(zhǎng)AUV在水下作業(yè)時(shí)間, 本文提出一種利用水下固定單信標(biāo)(短索錨定)修正SINS/ DVL誤差的新方法。假設(shè)單信標(biāo)與AUV均配置水聲通信裝置, 當(dāng)AUV航行到離信標(biāo)一定距離時(shí), 首先與信標(biāo)建立水聲通信連接, 然后與信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一, 接著以直線航行方式通過(guò)信標(biāo)周?chē)鷧^(qū)域。在AUV直線航行過(guò)程中, 信標(biāo)以一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)射水聲脈沖, AUV接收水聲脈沖, 并根據(jù)水聲脈沖在水中的傳播時(shí)間及聲速計(jì)算出AUV相對(duì)于信標(biāo)的距離, 最后AUV利用自身導(dǎo)航定位信息及與信標(biāo)的相對(duì)幾何關(guān)系計(jì)算出自身實(shí)時(shí)位置, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)SINS/DVL組合累積定位誤差的修正。

1 利用單信標(biāo)對(duì)AUV定位原理

步驟1: 當(dāng)AUV探測(cè)到單信標(biāo)后, AUV首先與信標(biāo)建立水聲通信連接, 接著信標(biāo)廣播自身位置信息及時(shí)間信息, AUV接收信標(biāo)位置信息并與信標(biāo)進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一[5]。

同樣, 由三角形面積公式可得

圖1 自主水下航行器與信標(biāo)的相對(duì)幾何關(guān)系

Fig. 1 Geometric relations between AUV and beacon

2 導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型

選取北天東坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系。在建立組合系統(tǒng)各子系統(tǒng)的誤差模型方程的基礎(chǔ)上[2,3], 設(shè)計(jì)SINS/DVL/信標(biāo)聯(lián)邦濾波器[4], 如圖2所示。

圖2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)/多普勒測(cè)速儀/信標(biāo)聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

SINS的誤差狀態(tài)方程為

DVL的誤差狀態(tài)方程為

其中

SINS/DVL組成子系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

式中:

SINS/DVL組成子系統(tǒng)的量測(cè)方程為

式中:

SINS/信標(biāo)組成子系統(tǒng)的狀態(tài)方程與SINS的誤差狀態(tài)方程相同, 量測(cè)方程為

式中:

3 仿真結(jié)果與分析

為檢驗(yàn)算法的有效性和可靠性, 進(jìn)行仿真分析。SINS的誤差源參數(shù)如表1所示, DVL的誤差源參數(shù)如表2所示。

表1 SINS誤差源參數(shù)

表2 DVL誤差源參數(shù)

圖3 AUV定位誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)AUV長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)過(guò)程中, SINS/ DVL/深度傳感器組合導(dǎo)航定位誤差累積問(wèn)題, 提出了一種利用單信標(biāo)修正定位誤差的方法, 首先利用水聲延遲測(cè)距, 然后利用信標(biāo)與AUV的相對(duì)幾何關(guān)系連續(xù)計(jì)算AUV的地理位置, 進(jìn)而修正累積的定位誤差。仿真結(jié)果顯示, 該方法可顯著減小累積的定位誤差。

本文所提方法對(duì)水聲通信數(shù)據(jù)率要求低, 長(zhǎng)時(shí)間水下作業(yè)的AUV采用該方法修正后, 定位誤差明顯減小, 該方法具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 秦永元. 慣性導(dǎo)航[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[2] 張福斌. 水下航行器捷聯(lián)慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)及組合導(dǎo)航技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2008.

[3] 嚴(yán)恭敏. 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)及其相關(guān)問(wèn)題研究[R]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2008.

[4] 秦永元, 張洪鉞, 汪叔華. 卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理[M].西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1998.

[5] Maczka D K, Gadre A S, Stilwell D J. Implementation of a Cooperative Navigation Algorithm on a Platoon of Autono- mous Underwater Vehicles[C]//Proceedings of MTS/IEEE, 2007: 730-735.

Correcting Localization Error with a Single Beacon for AUV

ZHANG Fu-bin, ZHANG Yong-qing

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The localization error of an AUV′s integrated navigation positioning system, which is composed of strapdown inertial navigation system (SINS), Doppler velocity logger (DVL) and depth sensor, increases with time, and the hidden performance of the AUV will decrease in correcting the error via GPS. In this paper, a new method is proposed to correct the localization error of the AUV's navigation system by adopting a fixed beacon under water. In this method, the principle of acoustic ranging is used to measure the distance between AUV and beacon, then the real-time position of the AUV is calculated according to spacial geometric relationships, and the localization error of the AUV′s navigation system is corrected by Kalman filter. Simulation results show that the present approach can correct AUV′s localization error effectively, which infers an application value in engineering.

autonomous underwater vehicle(AUV); integrated navigation positioning system; localization error; single beacon

TJ630.33

A

1673-1948(2012)01-0038-04

2011-04-28;

2011-08-06.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61040055), 西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金(JC20100224).

張福斌(1972-), 男, 副教授, 主要從事水下航行器導(dǎo)航與控制技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)