CN104569917A - 一种auv平台自适应定位与导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于水下运动平台AUV的自适应定位与导航系统及方法，该系统由安装在小型自主探测平台AUV端的水声通信节点、安装在接驳站端的通信与定位节点构成，主要解决AUV平台水下导引，使AUV平台精确航行到接驳站端完成能源补给、数据导出和状态检测等工作。本发明的一种AUV平台自适应定位与导航系统及方法，提出了联合利用水声通信测距与超短基线测向功能，实现AUV在运行过程中实时更新自己的位置信息，并根据目标点位置信息实时修正自己的运动轨迹，从而精确到达目标点。本发明中，为了用户的使用方便，设计了水下通信节点自适应参数配置功能。

Description

一种AUV平台自适应定位与导航系统及方法

技术领域

本发明属于水声技术及通信技术领域，具体涉及一种AUV平台自适应定位与导航系统及方法。

背景技术

随着各种水下测量传感器技术和水下自主航行器技术的发展，利用AUV平台携带各种传感器实现水文环境信息的测量、地形的勘测、数据记录、水声通信无线控制等难题已经基本解决。但由于AUV平台受到重量及体积的限制，能源段不能满足AUV平台长时间水下工作的任务，并且AUV平台反复的水下布放难度大、成本高，因此实现AUV平台在水下基站完成自主充电、数据导出就具有很高的实用价值。要实现AUV平台自主完成与水下基站的对接，就要求AUV平台能够实时更新本身与水下基站之间的位置关系，从而实时修正自己的运动轨迹，精确地找到水下基站完成对接及后续工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种AUV平台自适应定位与导航系统及方法，结合水声通信与超短基线定向技术，是一种联合利用水声通信与超短基线阵实现水下AUV平台自适应定位与导航技术，实现导引AUV平台精确地找到水下基站，也可以导航AUV平台到达指定位置完成任务。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种AUV平台自适应定位与导航系统，包括水下基站端、AUV平台端及水声通信与定位系统工作协议，AUV平台端主动发射定位信号，由水下基站端超短基线模块完成AUV方位测定后将结果发送给AUV平台端，AUV平台端解析测向结果并完成距离测定，最后将距离与方位信息整理打包后传递给AUV控制中心，进而指导AUV平台工作，其中，AUV平台端，包括：水声通信MODEM-A及AUV控制中心单元；水下基站端，包括：水声通信MODEM-B、超短基线阵及接驳站控制单元；水声通信与定位系统工作协议，包括：水声通信MODEM初始化和参数自适应配置、定位信号设计、定位与导航系统工作流程。

这种AUV平台自适应定位与导航方法，实现AUV平台自适应定位与导航工作过程具体包括系统初始化、测定AUV平台方位、AUV平台与水下基站间距离测定、指导AUV平台修正运动轨迹、反复测定AUV平台与水下基站间相对距离与位置关系和到达水下基站过程；

其中系统初始化过程，包括以下步骤：

1)AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B之间参数自适应配置初始化；

2)AUV平台端MODEM-A定点、定时发送测向信号，水下基站端超短极限阵接收测向信号并进行测向，结果送至显控检验测向状态；

3)接驳站段MODEM-B发送测距信号，AUV平台端定点应答，接驳站端MODEM-B接收应答信号后进行测距并将结果送至显控检验测距状态；

完成上述初始化过程后，根据通信协议实现AUV平台的精确导航，具体实现步骤如下：

4).AUV平台开始水下航行，并通过AUV平台端MODEM-A自适应时间间隔发射定位信号；

5).水下基站端接收水声定位信号，完成定位，并通过水声通信MODEM-B将定位结果发送至AUV平台端MODEM-A；

6).AUV平台间MODEM-A接收定位结果的同时根据自身发送的定位信号与接收到MODEM-B回复定位结果之间的时间延迟，测定自身与水下基站之间的距离，并将测向结果和自身的测距结果整理后发送到AUV平台控制中心，控制中心根据此信息调整运动轨迹；

7).重复4)、5)、6)步骤的工作，直到AUV平台达到制定工作位置；

所述的自适应时间间隔是指接收到接驳站端的应答信号后自动发射下一次的定位信号，如果在4s时间内没有接收到接驳站端的应答信号同样发射下一次的定位信号。

系统初始化步骤1)所述的AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B之间参数自适应配置初始化，其实现过程具体包括以下步骤：

1).AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B上电；

2).AUV平台端MODEM-A按照发射周期3s、发射功率3dB步长递减发送功率档位信息加双方约定的握手信息；

3).水下基站端MODEM-B接收并统计对应各功率档位的误码率，待完成全部档位信息接收后，水下基站端MODEM-B用误码率最低的通信参数配置自己；

4).水下基站端MODEM-B将最优的通信参数信息以约定的格式发送至AUV平台端MODEM-A，MODEM-A根据接收到的参数信息完成自身配置。

本发明的有益效果为：本发明应用于AUV平台，能够协助AUV平台在不出水情况下完成能源补给、数据导出和状态检测等工作，从而降低了AUV平台反复收放的成本，提高了AUV平台应用的空间。本发明设计的AUV平台定位方案中，超短基线阵安装在接驳站端，复杂的测向工作由接驳站端完成，AUV端只需要接收测向结果即可，降低了AUV平台端的工作负担。

附图说明

图1是本发明的AUV平台定位与导航系统工作示意图；

图2是本发明的AUV平台端与水下基站端系统组成框图；

图3是本发明的向量坐标系的定义图；

图4是本发明的通信系统工作参数自适应过程图；

图5是本发明的模式一下定位信号格式图；

图6是本发明的模式一下接驳站端发送的信号格式；

图7是本发明的模式二下定位信号格式图；

图8是本发明的模式二下接驳站端发送的信号格式。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：

图1为一种AUV平台定位与导航系统工作示意图，该系统联合利用超短基线测向方法与水下无线声通信测距方法，超短基线阵、MODEM-B安装在水下基站端，通过接收AUV平台端MODEM-A发射的通信信号完成AUV平台的测向，并将测向结果通过水声通信方式传递给MODEM-A,同时，MODEM-A通过自身发送测向信号与接收到MODEM-B发射的测向结果之间的时间延迟，测定AUV平台与水下基站之间的距离，最后MODEM-A将距离与方位结果整理后传递给AUV平台的信号处理中心，从而协助信号处理中心完成后续工作。AUV平台没有到达制定位置之前，反复发送测向信号，时刻更新自身相对于水下基站的方位与距离。水下基站端可以配置显示和监控设备，接收MODEM-B的测向结果和有关AUV平台的参数信息。图2为AUV平台端与水下基站端系统组成框图。AUV平台端通信声纳MODEM-A由收发合置换能器和电子舱组成，其中，收发合置换能器安装在AUV平台背部，电子舱安装在AUV平台舱体内。水下基站端水声通信MODEM-B与超短基线定向系统设计为一个整体，与显示中心通过8芯水密电缆连接。水下基站端通信和定位系统的主要功能部件包括收发换能器、收发合置电路、超短基线基阵、信号调理板、信号处理板、发射机、电源板等。AUV平台端通信和定位声纳的主要功能部件包括收发换能器、收发合置电路、信号调理板、信号处理板、发射机等。

2超短基线测向方案

2.1超短基线设计

超短基线基阵共有4个接收水听器，其中三个水听器在同一平面内按等边三角形布置，定义为三元接收阵(1#、2#、3#水听器)，三个阵均匀分布在Φ115mm的圆周上，在三元阵中心的正上方布置一个接收水听器(4#)，垂直孔径为50mm。

为了提高基阵的深水耐压能力，水听器采用球形结构；为了降低声阻挡现象，水听器的直径远小于中心频率对应的波长。表1为超短基线基阵的主要技术参数。表2为水声定向模块的主要技术指标。

表1超短基线基阵的技术参数

参数	值
		工作频率	10kHz～14kHz
接收灵敏度	M≥-210dB
		水听器幅度一致性	≤1.5dB
水听器相位一致性	≤2.0°
		垂直孔径	50mm
工作深度	最大深度1000米

水听器位置误差	≤0.2mm
		外形尺寸	≤Φ135mm×150mm
固定安装接口	2个M8螺纹孔
		信号输出	水密插头

表2超短基线基阵的技术参数

2.2目标水平方向估计算法

以1#和2#水听器为x轴，2#水听器为原点，建立坐标系xyz，1#与2#水听器的间距为d₁，2#与3#水听器的间距为d₂，1#与3#水听器的间距为d₃，3#2#水听器与1#2#水听器连线的夹角为φ＝π/3，声源s位于远场，声线与xy平面的夹角为γ，与1#2#水听器连线的夹角为α，与3#2#水听器连线的夹角为β，声源在xy平面的投影为s’，s’2#与x轴的夹角为θ，设声信号传播到1#和2#水听器的时延差为τ₂₁＝t₂-t₁，传播到2#和3#水听器的时延差为τ₂₃＝t₂-t₃。

根据时延得到：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=\frac{c{\mathrm{\τ}}_{21}}{d_1}\\ \cos \mathrm{\β}=\frac{c{\mathrm{\τ}}_{23}}{d_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

由几何关系得到：

$\left\{\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}=\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\γ}\\ \cos \mathrm{\β}=\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

由(2)式可得：

$\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\β}}=\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\θ})}---\left(3\right)$

化简得到：

$\begin{array}{c}\tan \mathrm{\θ}\frac{\cos \mathrm{\β}-\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\α}}\\ =\frac{{\mathrm{\τ}}_{23}{d}_1-{\mathrm{\τ}}_{21}{d}_2\cos \mathrm{\φ}}{{\mathrm{\τ}}_{21}{d}_2\sin \mathrm{\φ}}\\ =\frac{{\mathrm{\τ}}_{23}{d}_1}{{\mathrm{\τ}}_{21}{d}_2\sin \mathrm{\φ}}-\mathrm{ctg\φ}\end{array}---\left(4\right)$

声源的水平方向角为(τ₂₁≠0)：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}(\frac{{\mathrm{\τ}}_{23}{d}_1}{{\mathrm{\τ}}_{21}{d}_2\sin \mathrm{\φ}}-\mathrm{ctg\φ}),$ 或者 $\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}(\frac{{\mathrm{\τ}}_{23}{d}_1}{{\mathrm{\τ}}_{21}{d}_2\sin \mathrm{\φ}}-\mathrm{ctg\φ})+\mathrm{\π}---\left(5\right)$

在利用公式(5)计算计算水平方向角θ时，需要根据τ₂₁的极性进行象限分辨。

2.3目标垂直方向估计算法

在估计出水平维方向角后，有两种方法估计垂直维方向角，一种方法是利用公式(2)估计γ，另一种方法是利用4#水听器与其它水听器的时延差估计垂直维方向角。第2种方法的精度稍高，我们将根据实验结果择优。

a)方法1

由cosα＝cosθcosγ得到垂直维方向角γ：

$\mathrm{\γ}=\arccos \left(\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}\right)\cos \mathrm{\θ}\≠0---\left(6\right)$

如果cosθ＝0，可以利用公式cosβ＝cos(φ-θ)cosγ计算γ。

b)方法2

利用4#水听器与其它水听器的时延来测量垂直维方向角。在三元阵平面内(1#2#3#)，假设声源投影的水平方向角为θ，该角度是以2#1#水听器连线作为0°。假设(θ+π/6)在±π/3内，即-π/2≤θ≤π/6范围内，以4#水听器为向量坐标系原点，建立ijk辅助向量坐标系，ij平面与xy平面平行，1#4#在ij平面的投影与i轴重合(当θ在其它范围内时以其它边的投影作为i轴)，j轴正交于i轴，1#4#与i轴的垂直维夹角为ψ，声源与4#的距离为r，图3为向量坐标系的定义。

S点向量坐标为：[rcosγcos(θ+π/6) rcosγsin(θ+π/6) rsinγ]

A点向量坐标为：[rcosγcos(θ+π/6) 0 rcosγcos(θ+π/6)tanψ]

两个向量之间的夹角设为则有：

由于(θ+π/6)在±π/3内，γ在±π/2内，cosγcos(θ+π/6)≥0，上式化简为：

设4#与1#水听器的距离为d₄₁，时延为τ₄₁，得到：

由上面两个公式得到：

$\cos \mathrm{\γ}\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+\sin \mathrm{\γ}\tan \mathrm{\ψ}=\frac{c{\mathrm{\τ}}_{41}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}{d_{41}}---\left(10\right)$

定义 $\cos \mathrm{\η}=\frac{\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)}{\sqrt{{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}},\sin \mathrm{\η}=\frac{\tan \mathrm{\ψ}}{\sqrt{{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}},$ 则有：

$\cos (\mathrm{\γ}-\mathrm{\η})=\frac{{\mathrm{c\τ}}_{41}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}{d_{41}\sqrt{{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}---\left(11\right)$

因此，垂直维方向角为：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\η}+{\cos }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{c\τ}}_{41}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}{d_{41}\sqrt{{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}\right]$ 或者 $\mathrm{\γ}=\mathrm{\η}-{\cos }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{c\τ}}_{41}\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}{d_{41}\sqrt{{\cos }^2(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)+{\tan }^2\mathrm{\ψ}}}\right]---\left(12\right)$

3.自适应参数设计

该套水声通信MODEM引入了自适应参数调整模式，该模式主要是为了降低用户使用过程中的难度。目前该套水声通信MODEM主要引入了发射功率、通信速率两个参数的自适应调整功能，图4为通信系统工作参数自适应过程。在系统完成布放后，用户可以通过操作自适应参数搜索按钮，通信MODEM会按照通信速率与发射功率的组合完成特定数据的通信，在接收端统计各种参数组合情况下通信性能，当完成所有参数组合搜索后选取通信性能做好的一组参数进行水下数据传输。另外，用户可以手动进行通信MODEM参数设置，寻找到某一通信环境上最优的工作参数。手动配置MODEM过程需要不断人为修改各项参数，会增加操作难度，但优点是可以选择到更加优异的参数组合。

4AUV平台定位与导航系统工作协议

水声通信和定位系统的主要功能如下：

(1)以应答方式测量AUV与接驳站的距离；

(2)利用超短基线基阵测量AUV相对于接驳站引导筒的水平维方向和垂直维方向。

(3)通过水声信道将方向测量结果发送至AUV端。

该系统的工作流程如下：

AUV航行到接驳站附近后发出声学定位请求脉冲，接驳站收到该脉冲信号后，通过声学方法测量AUV相对于接驳站的水平方向角和垂直方向角，结合接驳站姿态传感器的信息进行方位修正，并将估计结果以水声通信的方式向外发送，AUV通信声纳收到水声信号后，计算两者之间的距离，解析出接驳站发送的方向信息，由控制中心根据这些信息解算AUV相对于接驳站对接筒的位置，AUV调整潜行方向和对底高度，向接驳站对接筒正前方航行，经过多次测量、调整后，最终使AUV沿着对接口中心线航行，直至进入光学对接系统作用范围才停止声学引导。

4.1定位系统信号设计

水声通信模块具备两种工作模式，并能根据AUV主控和接驳站主控的命令进行模式切换。

模式一：定位精简模式。该模式下，AUV上的通信模块只发送测向信息，接驳站上的通信模块回送定位信息。根据AUV与接驳站的距离，AUV控制中心可以通过控制通信模块调节刷新率：刷新时间间隔≤[(斜距/声速)*2+2]秒。

模式一下，AUV端向水下基站端发射通信信号加定位信号，图5为模式一下定位信号格式，为了水下基站端的测向功能，发射信息携带定位信号。

水下基站端接收到通信信号后(捕获到帧头信号)，通过测向函数完成方位测定，将测得的方位结果通过串口发送给显控并将定位结果信息和捕获到的帧头位置信息编码后通过水声通信发送给AUV端，图6为模式一下接驳站端发送给AUV平台端的信号格式。

模式二：附加信息模式。该模式下，AUV上的通信模块发送测向信息和其他需要的信息(如AUV的航速、航向、深度等)，接驳站上的通信模块回送定位信息，根据AUV与接驳站的距离，AUV上的通信模块能调节刷新率：刷新时间间隔≤[(斜距/声速)*2+2+(信息字节数*0.128)]秒。

模式二下，AUV端向水下基站端发射通信信号、定位信号和AUV参数信息信号，图7为模式二下定位信号格式。为了水下基站端的测向功能，发射信息携带定位信号。

水下基站端接收到通信信号后(捕获到帧头信号)，通过测向函数完成方位测定，将测得的方位结果通过串口发送给显控并将定位结果信息和捕获到的帧头位置信息编码后通过水声通信发送给AUV端。图8为模式二下接驳站端发送给AUV平台端的信号格式。

综上所述，本发明的一套适用于AUV平台自适应定位于导航系统及方法，应用于AUV平台，能够协助AUV平台在不出水情况下完成能源补给、数据导出和状态检测等工作，从而降低了AUV平台反复收放的成本，提高了AUV平台应用的空间。

以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种AUV平台自适应定位与导航系统，其特征在于：包括水下基站端、AUV平台端及水声通信与定位系统工作协议，AUV平台端主动发射定位信号，由水下基站端超短基线模块完成AUV方位测定后将结果发送给AUV平台端，AUV平台端解析测向结果并完成距离测定，最后将距离与方位信息整理打包后传递给AUV控制中心，进而指导AUV平台工作，其中，AUV平台端，包括：水声通信MODEM-A及AUV控制中心单元；水下基站端，包括：水声通信MODEM-B、超短基线阵及接驳站控制单元；水声通信与定位系统工作协议，包括：水声通信MODEM初始化和参数自适应配置、定位信号设计、定位与导航系统工作流程。

2.一种采用如权利要求1所述的AUV平台自适应定位与导航系统的定位与导航方法，其特征在于：实现AUV平台自适应定位与导航工作过程具体包括系统初始化、测定AUV平台方位、AUV平台与水下基站间距离测定、指导AUV平台修正运动轨迹、反复测定AUV平台与水下基站间相对距离与位置关系和到达水下基站过程；

其中系统初始化过程，包括以下步骤：

1)AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B之间参数自适应配置初始化；

2)AUV平台端MODEM-A定点、定时发送测向信号，水下基站端超短极限阵接收测向信号并进行测向，结果送至显控检验测向状态；

3)接驳站段MODEM-B发送测距信号，AUV平台端定点应答，接驳站端MODEM-B接收应答信号后进行测距并将结果送至显控检验测距状态；

完成上述初始化过程后，根据通信协议实现AUV平台的精确导航，具体实现步骤如下：

4).AUV平台开始水下航行，并通过AUV平台端MODEM-A自适应时间间隔发射定位信号；

5).水下基站端接收水声定位信号，完成定位，并通过水声通信MODEM-B将定位结果发送至AUV平台端MODEM-A；

6).AUV平台间MODEM-A接收定位结果的同时根据自身发送的定位信号与接收到MODEM-B回复定位结果之间的时间延迟，测定自身与水下基站之间的距离，并将测向结果和自身的测距结果整理后发送到AUV平台控制中心，控制中心根据此信息调整运动轨迹；

7).重复4)、5)、6)步骤的工作，直到AUV平台达到制定工作位置；

所述的自适应时间间隔是指接收到接驳站端的应答信号后自动发射下一次的定位信号，如果在4s时间内没有接收到接驳站端的应答信号同样发射下一次的定位信号。

3.根据权利要求2所述的AUV平台自适应定位与导航方法，其特征在于：系统初始化步骤1)所述的AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B之间参数自适应配置初始化，其实现过程具体包括以下步骤：

1).AUV平台端MODEM-A与水下基站端MODEM-B上电；

2).AUV平台端MODEM-A按照发射周期3s、发射功率3dB步长递减发送功率档位信息加双方约定的握手信息；

3).水下基站端MODEM-B接收并统计对应各功率档位的误码率，待完成全部档位信息接收后，水下基站端MODEM-B用误码率最低的通信参数配置自己；

4).水下基站端MODEM-B将最优的通信参数信息以约定的格式发送至AUV平台端MODEM-A，MODEM-A根据接收到的参数信息完成自身配置。