CN105445722A

CN105445722A - 一种适用于多auv协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法

Info

Publication number: CN105445722A
Application number: CN201510756651.8A
Authority: CN
Inventors: 徐博; 陈铭; 段腾辉; 王超; 但剑辉; 王星; 郝芮
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2016-03-30

Abstract

本发明公开了一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法。t₀时刻AUVa向AUVb发送测距请求命令，此时二者之间的距离为a₀b₀；t₁时刻AUVb接收到AUVa测距请求命令，此时水声信号传播距离为a₀b₁；固定延迟τ秒后，AUVb于t₂时刻向AUVa发送应答响应信号，此时二者之间距离为a₂b₂；t₃时刻AUVa接收到AUVb的应答响应信号，根据水声信号往返传播时间AUVa计算出水声传播距离；AUVa将量测得到的水声距离连同自身位置信息以及东、北、天向速度信息一同发送给AUVb，AUVb接收到AUVa发送的信息后，计算出水声距离误差，并对水声传播距离进行补偿。本发明具有测量精度高、协同导航效果好的优点。

Description

一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法

技术领域

本发明属于误差补偿领域，尤其涉及一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法。

背景技术

高精度的水下导航是AUV完成任务的关键，由于水介质的特殊性，水下AUV无法有效获得GPS导航信息，因此水下导航技术一直以来都是AUV领域研究的重点。惯性导航系统(INS)以其独立自主的工作特性、导航信息全面的优点成为水下AUV必不可少的导航设备，在水下导航领域发挥着举足轻重的作用。然而，由于陀螺敏感器件误差漂移的影响，造成INS的误差具有随时间累积的特点，这直接影响到了水下AUV长时间工作的导航需求。此外，高精度惯性导航系统价格昂贵、体积大、能耗多，极大限制了AUV的广泛应用。目前普遍采用的导航方案是利用低精度的惯导系统或者姿态敏感系统辅以多普勒计程仪(DVL)构成航位推算系统进行导航。由于姿态偏差以及器件一体化安装偏差的影响，航位推算误差与航行距离成正比，为了抑制导航误差的不断积累，需要不定时利用绝对位置信息进行校正。考虑到AUV在执行任务过程中，不断地浮出水面接收GPS信号往往是不现实的。随着水声通信技术的发展，基于基线定位原理，将水声通信设备安装在AUV上，各个AUV利用水声通信网络实现信息共享，精度低的AUV通过精度高的AUV进行距离测量，进而利用信息融合技术实现位置误差的校正。AUV间距离信息的精确测量是保证协同定位精度的关键，目前常用的基于水声测距技术主要有两种，单程测距技术与双程测距技术。单程测距效率高，一次广播发送即可以实现一对多的水声测距，因此特别适合于多AUV的协同定位。但是，由于单程测距需要保证AUV间高精度的时钟同步，因此，每一个AUV上均需要安装高精度的同步时钟，增加了系统的复杂度和实现成本。目前普遍采用的仍然是双程测距技术，双程测距利用水声往返传播时间计算水听器间相对距离，不需要时钟同步，实现简单。由于双程测距一次通信只能实现一对一的距离量测，因此对于多AUV系统来说，势必造成每一个AUV更新频率降低，水声通信系统能耗需求加大，进而影响AUV系统的协同定位精度与长航时工作的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高、协同导航效果好的，适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法。

一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：t₀时刻AUVa向AUVb发送测距请求命令，此时二者之间的距离为a₀b₀；

步骤二：t₁时刻AUVb接收到AUVa测距请求命令，此时水声信号传播距离为a₀b₁；

步骤三：固定延迟τ秒后，AUVb于t₂时刻向AUVa发送应答响应信号，此时二者之间距离为a₂b₂；

步骤四：t₃时刻AUVa接收到AUVb的应答响应信号，根据水声信号往返传播时间AUVa计算出水声传播距离为：

R_{m} = \frac{1}{2} (a_{0} b_{1} + a_{3} b_{2}) = \frac{1}{2} (2 a_{3} b_{3} + a_{0} a_{3} - b_{1} b_{2} - 2 b_{2} b_{3});

步骤五：AUVa将量测得到的水声距离连同自身位置信息以及东、北、天向速度信息一同发送给AUVb，AUVb接收到AUVa发送的信息后，计算出水声距离误差，并对水声传播距离进行补偿。

本发明一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法，还可以包括：

步骤五中水声距离误差为：

R_{e} = R_{m} - R = \frac{1}{2} (a_{0} a_{3} - b_{1} k_{2} - 2 b_{2} b_{3})

将水声距离误差转换为三维环境下的误差为：

R_{e}^{e} \approx \frac{v_{a}^{e}}{c} \cdot R_{m}^{e} + (v_{a}^{e} - v_{b}^{e}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{e}}{c} \cdot R_{m}^{e}

R_{e}^{n} \approx \frac{v_{a}^{n}}{c} \cdot R_{m}^{n} + (v_{a}^{n} - v_{b}^{n}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{n}}{c} \cdot R_{m}^{n}

R_{e}^{u} \approx \frac{v_{a}^{u}}{c} \cdot R_{m}^{u} + (v_{a}^{u} - v_{b}^{u}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{u}}{c} \cdot R_{m}^{u}

进一步得到：

R_{e}^{3} = \sqrt{R_{e}^{e} \cdot R_{e}^{e} + R_{e}^{n} \cdot R_{e}^{n} + R_{e}^{u} \cdot R_{e}^{u}} .

有益效果：

(1)实现了动态条件下水声双程测距误差的实时补偿，提高了水声双程测距精度；

(2)基于优点(1)提高了多AUV协同导航效果。

附图说明

图1为本发明延时示意图；

图2为本发明仿真AUV坐标示意图；

图3为本发明仿真AUV速度示意图；

图4为本发明误差补偿对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

(一)发明目的：本发明的目的在于提供一种水声双程测距误差补偿算法，提高动态条件下水声双程测距精度，进而提高多AUV的协同导航效果。

(二)技术方案：为了解决上述问题，本发明提供了一种动态条件下水声双程测距误差补偿算法，实现流程如下：

步骤1：主AUV向从AUV发送测距请求命令；

步骤2：主AUV接收到从AUV测距应答信号后，根据水声往返传播时间计算主从AUV之间距离；

步骤3：主AUV将水声量测距离连同自身位置信息、东北向速度信息一同发送给从AUV；

步骤4：从AUV接收到主AUV发送的参考信息后，根据自身的速度信息对主AUV量测的二者之间距离信息进行误差补偿。

如图1～图4所示，相面将具体介绍本发明的实施过程。

步骤1：t₀时刻主AUVa向AUVb发送测距请求命令，此时二者之间的距离为a₀b₀；

步骤2：t₁时刻AUVb接收到AUVa测距应答信号，至此水声信号传播距离为a₀b₁；

步骤3：固定延迟τ秒后，AUVb于t₂时刻向AUVa发送应答响应信号，此时二者之间距离为a₂b₂；

步骤4：t₃时刻AUVa接收到AUVb的应答响应信号，根据水声信号往返传播时间AUVa计算出水声传播距离为

R_{m} = \frac{1}{2} (a_{0} b_{1} + a_{3} b_{2}) = \frac{1}{2} (2 a_{3} b_{3} + a_{0} a_{3} - b_{1} b_{2} - 2 b_{2} b_{3})

此时二者之间的真实距离为a₃b₃，由此得到水声测距误差为

R_{e} = R_{m} - R = \frac{1}{2} (a_{0} a_{3} - b_{1} b_{2} - 2 b_{2} b_{3})

根据

\{\begin{matrix} a_{0} a_{3} = v_{a} \cdot ({Δt}_{1} + {Δt}_{2} + {Δt}_{3}) \\ b_{1} b_{2} = v_{b} \cdot {Δt}_{2} \\ b_{2} b_{3} = v_{b} \cdot {Δt}_{3} \end{matrix}

以及

{Δt}_{1} \approx {Δt}_{3} = \frac{R_{m}}{c}

进而得到

R_{e} \approx \frac{v_{a}}{c} \cdot R_{m} + (v_{a} - v_{b}) \cdot τ - \frac{v_{b}}{c} \cdot R_{m}

水声测距通常情况下得到的三维环境下距离，将上面量测误差转换为三维环境下

R_{e}^{e} \approx \frac{v_{a}^{e}}{c} \cdot R_{m}^{e} + (v_{a}^{e} - v_{b}^{e}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{e}}{c} \cdot R_{m}^{e}

R_{e}^{n} \approx \frac{v_{a}^{n}}{c} \cdot R_{m}^{n} + (v_{a}^{n} - v_{b}^{n}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{n}}{c} \cdot R_{m}^{n}

R_{e}^{u} \approx \frac{v_{a}^{u}}{c} \cdot R_{m}^{u} + (v_{a}^{u} - v_{b}^{u}) \cdot τ - \frac{v_{b}^{u}}{c} \cdot R_{m}^{u}

进而得到量测距离误差为

R_{e}^{3} = \sqrt{R_{e}^{e} \cdot R_{e}^{e} + R_{e}^{n} \cdot R_{e}^{n} + R_{e}^{u} \cdot R_{e}^{u}}

步骤5：AUVa将量测得到的水声距离连同自身位置信息以及东、北、天向速度信息一同发送给AUVb，AUVb接收到AUVa发送的参考信息后，根据误差公式计算出水声距离误差并进行补偿。

Claims

1.一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于多AUV协同导航的动态条件下水声双程测距误差补偿方法，其特征在于：所述的步骤五中水声距离误差为：

将水声距离误差转换为三维环境下的误差为：

进一步得到：