CN107290765B - 水下潜航器的协作定位方法和系统 - Google Patents

水下潜航器的协作定位方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下潜航器的协作定位方法和系统，涉及水下探测的技术领域，该方法包括：获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号；如果判断出未接收到GPS浮标发送的定位信号，则获取邻近通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，目标水下潜航器为与当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，目标信号包括水声环境参数和位置信号；基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息，有效地缓解了现有的水下潜航器无法满足高精度定位要求的技术问题。

Description

水下潜航器的协作定位方法和系统
技术领域
本发明涉及水下探测的技术领域，尤其是涉及一种水下潜航器的协作定位方法和系统。
背景技术
自主水下航行器(Autonomous underwater vehicles，简称AUV)是由传统水下无人水下潜航器(Unmanned underwater vehicle，简称UUV)发展而来的，进一步结合先进的人工智能、高性能计算与控制、可靠通信与网络互联及信息融合处理等技术，是实现水下探测、测绘、定位与导航的重要手段。
由于水声信道是一个复杂时变的随机信道，其环境复杂、带宽窄、可用载波频率低多普勒效应和多径效应影响大、传输衰减和时延大，这都进一步增加了自主水下航行器在水下进行高精度定位与导航的难度。现有系统的定位精度无法满足实际应用的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水下潜航器的协作定位方法和系统，在水面GPS信号浮标的辅助下，对水下潜航器网络内的节点进行定位，有效地缓解了现有的水下潜航器无法满足高精度定位要求的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种水下潜航器的协作定位方法，包括：获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，所述定位信号用于对所述当前水下潜航器的定位信息进行更新；如果判断出未接收到所述GPS浮标发送的定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，所述目标水下潜航器为所述预设通信范围内与所述当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，所述目标信号包括水声环境参数和位置信号；基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
进一步地，获取目标水下潜航器发送的目标信号包括：获取第一目标水下潜航器发送所述位置信号，其中，所述位置信号包括时延信息和角度参数信息，所述第一目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述当前水下潜航器进行协同定位的水下潜航器；获取第二目标水下潜航器发送的所述水声环境参数，其中，所述第二目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述位置信号进行校正的水下潜航器，且所述第二目标水下潜航器的数量为多个，所述第一目标水下潜航器与所述第二目标水下潜航器不相同。
进一步地，基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括：基于所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正，得到校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息；利用声学定位算法，基于校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息确定所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度；根据所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新。
进一步地，基于所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正包括：获取每个所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数；按照预设阈值对所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数进行筛选，得到目标水声环境参数，其中，所述目标水声环境参数为所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数中参数值小于所述预设阈值的参数，所述目标水声参数的数量至少为一个；计算至少一个所述目标水声环境参数的均值；利用所述均值对所述传播时延信息和所述角度参数信息进行校正。
进一步地，根据所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括：利用公式f(xk,vk|z0:k-1)∝f(xk,vk|xk-1,vk-1)f(xk-1,vk-1|z0:k-1)对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，其中，xk为第k个时刻所述当前水下潜航器的位置坐标，vk表示第k个时刻所述当前水下潜航器的速度，xk-1为第k-1个时刻所述当前水下潜航器的位置坐标，vk-1表示所述第k-1个时刻所述当前水下潜航器的速度，z0:k-1表示从0时刻到所述第k-1个时刻所述当前水下潜航器的水声环境参数，所述第k-1个时刻为所述第k个时刻的上一时刻，f(xk-1,vk-1|z0:k-1)为所述当前水下潜航器从0时刻开始至第k-1时刻，在观测条件下的状态概率密度函数。
进一步地，在得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息之后，所述方法还包括：向所述目标水下潜航器中的每个目标水下潜航器发送所述当前水下潜航器检测到的水声环境参数，以及向每个所述目标水下潜航器发送所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种水下潜航器的协作定位系统，包括：至少一个GPS浮标和至少一个水下潜航器，每个所述GPS浮标能够与每个所述水下潜航器通信连接，每个所述水下潜航器用于：获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；并判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，如果判断出未接收到所述GPS浮标发送的所述定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，所述目标水下潜航器为所述预设通信范围内与所述当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，所述目标信号包括水声环境参数和位置信号；以及，基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
进一步地，每个所述水下潜航器包括：监测传感器和2排阵列天线，其中，所述监测传感器用于监测所处水声环境的水声环境参数，所述2排阵列天线用于实现与所述GPS浮标和其他水下潜航器的通信连接。
进一步地，所述2排阵列天线包括：第一排天线和第二排天线，其中，所述第一排天线与所述第二排天线的数量相同；所述第一排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米；所述第二排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米，其中，所述第一排天线与所述第二排天线之间的距离为1米。
进一步地，每个所述GPS浮标包括：浮标本体，GPS天线，水下声呐拖拽线，声呐信号发生器，其中，所述浮标本体悬浮在水面上，所述GPS天线安装在所述浮标本体中位于所述水面之上的位置，所述水下声呐拖拽线用于连接所述声呐信号发生器和所述浮标本体。
在本发明实施例中，首先获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；然后，判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，如果判断出未接收到GPS浮标发送的定位信号，则获取邻近通信范围内目标水下潜航器发送的目标信号，其中，目标信号包括水声环境参数和位置信号；最后，基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态进行更新，以得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。在本发明实施例中，通过多个水下潜航器进行协作，且融合了更多的环境信息和其他节点的定位信息，则能够实现高精度进行实时定位和导航，进而缓解了现有的水下潜航器无法满足高精度定位要求的技术问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的一种水下潜航器中天线阵列的示意图；
图3是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的另一种水下潜航器的协作定位方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
单一的AUV在水下无法满足高定位精度的要求，但是通过多架AUV进行协作，融合更多环境信息和其他节点的定位信息，则能够实现高精度实时的定位与导航。多无人水下潜航器组网构成信息协作共享系统，其具有成本低、效率高、容错性强、可重构性等重要优势，是实现水下协同定位与导航的关键技术之一。多AUV之间的信息共享也提高了水下AUV网络的对非理想环境因素的鲁棒性，即使水下潜航器组网中个别的AUV节点出现损坏或者故障，整个AUV网络仍然能够有效工作，提供可靠的定位和导航信息。
同时，采用多AUV对水下各个节点的水声环境进行观测，可以实现对局部定位网络中的水声信号进行补偿，特别地，如果收到洋流等影响，可以减小该方向上AUV节点信号的权重以避免大误差的引入。因此，通过AUV之间进行环境参数和自身位置状态信息参数的分享，可以有效地提高局部定位精度。
下面将结合实施例一至实施例四对本发明进行详细的介绍。
实施例一：
根据本发明实施例，提供了一种水下潜航器的协作定位系统的实施例。
图1是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位系统的示意图，如图1所示，该系统包括：至少一个GPS浮标和至少一个水下潜航器，每个GPS浮标能够与每个水下潜航器通信连接。
如图1所示，标号11，标号12和标号13所示的即为上述GPS浮标，图1中，节点1，节点2，节点3，…，节点k即为上述水下潜航器。其中，如果水下潜航器在GPS浮标的通信范围之内，那么水下潜航器就能够接收GPS浮标发送的相关信号。
在本发明实施例中，一个水下潜航器的协作定位系统中包含至少1个水面GPS浮标和多个AUV构成。GPS浮标可视为定位系统的锚点，GPS浮标用于为该水下潜航器的协作定位系统提供绝对位置信息和时钟参考信息等。其中，多个AUV之间则通过监测自身环境的水声环境参数，并在利用周边AUV节点的水声环境参数和位置信号获取并更新自身的位置状态信息，并在更新自身的位置状态信息之后，向其他的AUV发送包含自身当前位置状态信息的信号，使得水下潜航器的协作定位系统的局部网络内的多个AUV实现网络协作。进一步地，随着网络中动态信息的更新，则可以使得整个网络中的节点获取精确的位置信息，以此为其他水下装置提供可靠的定位信息。
需要说明的是，在本发明实施例中，AUV的工作频率为10kHz和20kHz两种。考虑到不同频率在水声环境的衰减不同，因此，该两种工作频率适用于不同范围的位置估计和获取。例如，10kHz载频的信号在水下历经的衰减较小，适用于节点网络较为稀疏的情况，以覆盖更广的区域。当网络中AUV节点的密度较大时，可以采用20kHz的载波频率，进而获得更高精度的定位信息。
具体地，在本发明实施例中，每个水下潜航器用于执行下述步骤：
获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；
判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，如果判断出未接收到GPS浮标发送的定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，目标水下潜航器为预设通信范围内的与当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，目标信号包括水声环境参数和位置信号；以及
基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
例如，对于图1中的节点1。首先节点1获取上一时刻在水下的位置状态信息；然后，节点1判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，如果判断出未收到，则直接获取其余节点发送的(例如，节点2，节点3和节点k)水声环境参数和位置信号。此时，节点1就可以根据水声环境参数和位置信号对自身的位置状态信息进行更新，以得到节点1在当前时刻的位置状态信息。
需要说明的是，在本发明实施例中，因为GPS浮标能够获得较为准确的GPS信号，且该GPS信号用来给水下潜航器提供绝对的位置信息，同时所发送的信号还能提高水下潜航器的定位精度，因此，水下潜航器可以通过与至少一个水面的GPS浮标相互通信连接以获得高精度的定位信息和绝对位置信息。但是，为了满足的高精度定位要求，还需要其他水下潜航器的协同来对当前水下潜航器进行定位。当水下潜航器无法接收到GPS浮标发送的定位信号时，则直接通过与其他的水下潜航器之间相互发送的信号，来实现精准定位。其中，在一个水下网络中，多个水下潜航器的协作通信和信息交互更新能够提高整个水下网络的定位精度。
在本发明实施例的一个可选实施方式中，每个水下潜航器包括：监测传感器和2排阵列天线。
其中，监测传感器用于监测所处水声环境的水声环境参数，2排阵列天线用于实现与GPS浮标和其他水下潜航器的通信连接。
具体地，2排阵列天线包括：第一排天线和第二排天线。
第一排天线与第二排天线的数量相同；
第一排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米；
第二排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米，其中，第一排天线与第二排天线之间的距离为1米。
在本发明实施例的另一个可选实施方式中，每个GPS浮标包括：浮标本体，GPS天线，水下声呐拖拽线，声呐信号发生器，其中，浮标本体悬浮在水面上，GPS天线安装在浮标本体中位于水面之上的位置，水下声呐拖拽线用于连接声呐信号发生器和浮标本体。
具体地，通过上述描述可知，本发明实施例中提供的水下潜航器的协作定位系统主要包括由水面GPS浮标和至少一个水下潜航器组成，其中，该水下潜航器为配置声呐阵列的自主水下潜航器。
进一步地，如图1所示，水面GPS浮标包含4个部分：浮标本体1，GPS天线2，水下声呐拖拽线3和声呐信号发生器4。如图1所示，浮标本体1漂浮在水面上，水下声呐拖拽线3的第一端连接于浮标本体1上，第二端连接于声呐信号发生器4上，用于连接声呐信号发生器4和浮标本体1。
需要说明的是，在本发明实施例中，水下潜航器AUV为配置有声呐阵列(即，上述2排阵列天线5)的自主水下潜航器。其中，该阵列天线可以安装在水下潜航器AUV的内部，还可以安装在水下潜航器AUV的外部。
具体地，如图2所示，该2排阵列天线中包括共20个阵列单元6，其中，第一排天线中包括10个阵列单元6，第二排天线中同样包括10个阵列单元6，且任意两个相邻的阵列单元之间的间距为1m。此外，如图2所示，该定位系统还包括动力装置7，该动力装置用于为AUV节点为提供巡航动力；如图2所示，该定位系统还包括监测传感器8，从图2中可以看出，监测传感器8设置在2排阵列天线的两侧，该监测传感器8用于监测当前AUV所处位置的水声环境参数，例如，深度hd、压强Pa、水流速度vw和盐度Si等。
实施例二：
根据本发明实施例，提供了一种水下潜航器的协作定位方法的实施案例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图3是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S302，获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；
在本发明实施例中，当前水下潜航器为如图1所示的水下潜航器的协作定位系统中的任意一个节点，例如，当前水下潜航器可以为节点1，还可以为节点2。
步骤S304，判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，定位信号用于对当前水下潜航器的定位信息进行更新；
在本发明实施例中，在如图1所示的水下潜航器的协作定位系统中，GPS浮标11，GPS浮标12和GPS浮标13能够获得较为准确的GPS信号，以为当前水下潜航器提供绝对的位置信息。其中，当前水下潜航器可以通过与至少一个水面的GPS浮标相互通信连接以获得高精度的定位信息和绝对位置信息，但是，为了满足的高精度定位要求，还需要其他水下潜航器的协同来对当前水下潜航器进行定位。当前水下潜航器无法接收到GPS浮标发送的定位信号时，可以通过与其他的水下潜航器之间相互发送的信号，来实现精准定位。其中，在一个水下网络中，多个水下潜航器的协作通信和信息交互更新能够提高整个水下网络的定位精度。
具体地，判断当前时刻是否接收GPS浮标发送的定位信号，如果判断出是，则该当前水下潜航器可以联合处理GPS信号和其他水下潜航器发送的定位信号的基础上完成自身定位，并进一步传递由GPS获取的绝对位置信息给其他水下潜航器节点；如果判断出不是，则必须通过其他的水下潜航器的协同定位来实现对当前水下潜航器进行协同定位。
步骤S306，如果判断出未接收到GPS浮标发送的定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，目标水下潜航器为预设通信范围内的与当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，目标信号包括水声环境参数和位置信号；
在本发明实施例中，基于上述步骤S304，如果判断出不是，则获取目标水下潜航器发送的目标信号，该目标信号中包括目标水下潜航器监测到的水声环境参数和目标水下潜航器的位置信号。
其中，如图1所示，目标潜航器为与当前潜航器相邻的潜航器(也即，处于预设通信范围内的潜航器)。如果当前水下潜航器为节点1，那么目标水下潜航器可以为节点2，节点3，以及节点k。
步骤S308，基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
在本发明实施例中，首先获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；然后，判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，如果判断出未接收到GPS浮标发送的定位信号，则获取邻近通信范围内目标水下潜航器发送的目标信号，其中，目标信号包括水声环境参数和位置信号；最后，基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态进行更新，以得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。在本发明实施例中，通过多个水下潜航器进行协作，且融合了更多的环境信息和其他节点的定位信息，则能够实现高精度进行实时定位和导航，进而缓解了现有的水下潜航器无法满足高精度定位要求的技术问题。
在本发明实施例的一个可选实施方式中，上述步骤S106，即，获取目标水下潜航器发送的目标信号包括如下步骤：
步骤S1061，获取第一目标水下潜航器发送位置信号，其中，位置信号包括时延信息和角度参数信息，第一目标水下潜航器为目标水下潜航器中用于对当前水下潜航器进行协同定位的水下潜航器；
步骤S1062，获取第二目标水下潜航器发送的水声环境参数，其中，第二目标水下潜航器为目标水下潜航器中用于对位置信号进行校正的水下潜航器，且第二目标水下潜航器的数量为多个，第一目标水下潜航器与第二目标水下潜航器不相同。
在本发明实施例中，通过上述描述可知，在获取GPS浮标发送的GPS信号之后，当GPS信号无法实现对当前水下潜航器进行精准定位时，可以借助其他的水下潜航器(例如，目标水下潜航器)来对当前水下潜航器进行定位，此时，目标水下潜航器又可以称为锚点。上述第一目标水下潜航器以图1中的节点2，第二目标水下潜航器以图1中的节点3和节点k为例进行说明。
具体地，可以通过节点1的2排天线阵列接收节点2发送的位置信号，以及获取节点2在发送位置信号时的时延信息和角度参数信息。由于节点1和节点2之间在传输该位置信号的过程中，一些非理想因素可能会对节点1和节点2之间信号的传输质量造成一定的影响，从而导致位置信号在传输过程中出现一定的偏差，具体体现在时延信息和角度参数信息的偏差。
基于此，节点1可以通过2排天线阵列接收节点3和节点k发送的水声环境参数，以通过该参数来校正节点1和节点2之间传输过程中非理想因素对时延信息和角度参数信息的影响。
需要说明的是，在本发明实施例中，k的取值可以为4，5，6等数值，对此不作具体限定。
进一步需要说明的是，上述第二目标水下潜航器的数量可以为2个，还可以为3个，具体的数量取决于能够与节点1进行通信的节点的数量。相对于采用2个节点的水声环境参数对上述传播时延信息和角度参数信息进行校正的方式，采用3个节点的水声环境参数进行校正时，校正精确度更高。
在另一个可选实施方式中，上述步骤S108，即，基于目标信号对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括如下步骤：
步骤S1081，基于第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对第一目标水下潜航器发送的时延信息和角度参数信息进行校正，得到校正之后的时延信息和校正之后的角度参数信息；
步骤S1082，利用声学定位算法，基于校正之后的时延信息和校正之后的角度参数信息确定当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度；
步骤S1083，根据当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新。
通过上述描述可知，由于节点1和节点2之间在传输该位置信号的过程中，一些非理想因素可能会对节点1和节点2之间信号的传输质量造成一定的影响。因此，节点1在联合其他节点进行定位的过程中，需要考虑水声环境中的时变因素。例如，节点2在向节点1发送水声环境参数和位置信号时，节点1除了能够知晓节点2检测到的水声环境参数和位置信号之外，节点1还能够接收节点3或者节点4发送的水声环境参数，该水声环境参数用于修正由于水声信道时变造成信号在传输时出现的偏差，例如，节点1和节点2之间在进行位置信号的传输过程中出现的偏差。
具体地，在本发明实施例中，首先可以通过第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对时延信息和角度参数信息进行校正，得到校正之后的时延信息和角度参数信息。在得到校正之后的时延信息和角度参数信息之后，就可以基于该校正之后的时延信息和角度参数信息确定节点1的位置坐标和速度。在确定出节点1在当前时刻的位置坐标和速度之后，就可以基于该位置坐标和速度对节点1在当前时刻的位置状态信息进行更新。
其中，上述步骤S1081，即基于第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对第一目标水下潜航器发送的时延信息和角度参数信息进行校正包括如下步骤：
步骤S1，获取每个第二目标水下潜航器发送的水声环境参数；
步骤S2，按照预设阈值对第二目标水下潜航器发送的水声环境参数进行筛选，得到目标水声环境参数，其中，目标水声环境参数为第二目标水下潜航器发送的水声环境参数中参数值小于预设阈值的参数，目标水声参数的数量至少为一个；
步骤S3，计算至少一个目标水声环境参数的均值；
步骤S4，利用均值对传播时延信息和角度参数信息进行校正。
具体地，如果第二目标水下潜航器为节点3和节点k，则可以获取节点3和节点k发送的水声环境参数，然后，对节点3和节点k发送的水声环境参数进行筛选，得到目标水声环境参数；进而，计算目标水声环境参数的均值，并利用该均值对传播时延信息和角度参数信息进行继校正。
进一步地，位置状态信息中包括位置坐标和速度，上述步骤S1083，根据当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括如下步骤：
利用公式f(xk,vk|z0:k-1)∝f(xk,vk|xk-1,vk-1)f(xk-1,vk-1|z0:k-1)对当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，
其中，xk为第k个时刻当前水下潜航器的位置坐标，vk表示第k个时刻当前水下潜航器的速度，xk-1为第k-1个时刻当前水下潜航器的位置坐标，vk-1表示第k-1个时刻当前水下潜航器的速度，z0:k-1表示从0时刻到第k-1个时刻当前水下潜航器的水声环境参数，第k-1个时刻为第k个时刻的上一时刻，f(xk-1,vk-1|z0:k-1)为当前水下潜航器从0时刻开始至第k-1时刻，在观测条件下的状态概率密度函数。
在本发明实施例中，在得到当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息之后，还可以向目标水下潜航器中的每个目标水下潜航器发送当前水下潜航器检测到的水声环境参数，以及向每个目标水下潜航器发送当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
实施例三：
图4是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位方法的流程图。如图4所示，在本发明实施例中，首先，水下潜航器接收GPS浮标发送的信号，若GPS浮标发送的信号无法对水下潜航器进行高精度定位时，可以通过网络内的其他AUV节点负责完成网络内的相对位置信息估计。此时，可以接收多个AUV发送的信号，其中，该信号中包括水声环境参数和位置信号。然后，计算信号路径上水声环境参数影响，其中，信号路径为任意两个AUV之间的信号通信路径。接下来，计算各个AUV所处节点处的水声环境参数，具体地，可以计算各个AUV所处节点处的水声环境参数的均值。之后，利用均值对传播时延信息和角度参数信息进行校正。并利用校正之后的传播时延信息和角度参数信息确定当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度，以完成自身位置状态信息的计算和更新。在本发明实施例中，在对自身位置状态信息进行计算和更新之后，还可以向邻近节点发送水声环境参数及自身位置信息，具体实现过程如上，这里不再赘述。
实施例四：
图5是根据本发明实施例的一种水下潜航器的协作定位装置的示意图，如图5所示，该水下潜航器的协作定位装置主要包括：环境参数感知模块51，网络定位信息接收处理模块52，定位参数估计模块53，位置状态信息计算和更新模块54，信号发送模块55，其中，环境参数感知模块51，网络定位信息接收处理模块52，定位参数估计模块53，位置状态信息计算和更新模块54，信号发送模块55安装在对应的水下潜航器中。
具体地，环境参数感知模块51用于当前水下潜航器感知周围环境的水声环境参数；
网络定位信息接收处理模块52用于接收其他水下潜航器发送的位置信号和水声环境参数；
定位参数估计模块53用于基于其他水下潜航器发送的位置信号和水声环境参数确定当前水下潜航器的位置坐标和速度；
位置状态信息计算和更新模块54用于基于位置坐标和速度计算并更新当前水下潜航器的位置状态信息；
信号发送模块55用于将当前水下潜航器的位置状态信息和水声环境参数向周围邻近的水下潜航器发送。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例所提供的进行水下潜航器的协作定位方法和系统的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种水下潜航器的协作定位方法，其特征在于，包括：
获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；
判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，所述定位信号用于对所述当前水下潜航器的定位信息进行更新；
如果判断出未接收到所述GPS浮标发送的定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，所述目标水下潜航器为所述预设通信范围内与所述当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，所述目标信号包括水声环境参数和位置信号；
基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息；
其中，获取目标水下潜航器发送的目标信号包括：
获取第一目标水下潜航器发送所述位置信号，其中，所述位置信号包括时延信息和角度参数信息，所述第一目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述当前水下潜航器进行协同定位的水下潜航器；
获取第二目标水下潜航器发送的所述水声环境参数，其中，所述第二目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述位置信号进行校正的水下潜航器，且所述第二目标水下潜航器的数量为多个，所述第一目标水下潜航器与所述第二目标水下潜航器不相同；
其中，基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括：
基于所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正，得到校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息；
利用声学定位算法，基于校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息确定所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度；
根据所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正包括：
获取每个所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数；
按照预设阈值对所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数进行筛选，得到目标水声环境参数，其中，所述目标水声环境参数为所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数中参数值小于所述预设阈值的参数，所述目标水声参数的数量至少为一个；
计算至少一个所述目标水声环境参数的均值；
利用所述均值对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括：
利用公式f(xk,vk|z0:k-1)∝f(xk,vk|xk-1,vk-1)f(xk-1,vk-1|z0:k-1)对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，
其中，xk为第k个时刻所述当前水下潜航器的位置坐标，vk表示第k个时刻所述当前水下潜航器的速度，xk-1为第k-1个时刻所述当前水下潜航器的位置坐标，vk-1表示所述第k-1个时刻所述当前水下潜航器的速度，z0:k-1表示从0时刻到所述第k-1个时刻所述当前水下潜航器的水声环境参数，所述第k-1个时刻为所述第k个时刻的上一时刻，f(xk-1,vk-1|z0:k-1)为所述当前水下潜航器从0时刻开始至第k-1时刻，在观测条件下的状态概率密度函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息之后，所述方法还包括：
向所述目标水下潜航器中的每个目标水下潜航器发送所述当前水下潜航器检测到的水声环境参数，以及向每个所述目标水下潜航器发送所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息。
5.一种水下潜航器的协作定位系统，其特征在于，包括：至少一个GPS浮标和至少一个水下潜航器，每个所述GPS浮标能够与每个所述水下潜航器通信连接，
每个所述水下潜航器用于：获取当前水下潜航器上一时刻在水下的位置状态信息；并判断当前时刻是否接收到GPS浮标发送的定位信号，其中，如果判断出未接收到所述GPS浮标发送的所述定位信号，则获取预设通信范围内的目标水下潜航器发送的目标信号，其中，所述目标水下潜航器为所述预设通信范围内与所述当前水下潜航器相邻设置的至少一个水下潜航器，所述目标信号包括水声环境参数和位置信号；以及，基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新，以得到所述当前水下潜航器在当前时刻的位置状态信息；
其中，每个所述水下潜航器用于：
获取第一目标水下潜航器发送所述位置信号，其中，所述位置信号包括时延信息和角度参数信息，所述第一目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述当前水下潜航器进行协同定位的水下潜航器；
获取第二目标水下潜航器发送的所述水声环境参数，其中，所述第二目标水下潜航器为所述目标水下潜航器中用于对所述位置信号进行校正的水下潜航器，且所述第二目标水下潜航器的数量为多个，所述第一目标水下潜航器与所述第二目标水下潜航器不相同；
其中，基于所述目标信号对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新包括：
基于所述第二目标水下潜航器发送的水声环境参数对所述第一目标水下潜航器发送的时延信息和所述角度参数信息进行校正，得到校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息；
利用声学定位算法，基于校正之后的所述时延信息和校正之后的所述角度参数信息确定所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度；
根据所述当前水下潜航器在当前时刻的位置坐标和速度对所述当前水下潜航器的位置状态信息进行更新。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每个所述水下潜航器包括：
监测传感器和2排阵列天线，其中，所述监测传感器用于监测所处水声环境的水声环境参数，所述2排阵列天线用于实现与所述GPS浮标和其他水下潜航器的通信连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述2排阵列天线包括：
第一排天线和第二排天线，其中，所述第一排天线与所述第二排天线的数量相同；
所述第一排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米；
所述第二排天线中包括10个阵列单元，且任意两个相邻的阵列单元之间的间隔为1米，其中，所述第一排天线与所述第二排天线之间的距离为1米。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，每个所述GPS浮标包括：
浮标本体，GPS天线，水下声呐拖拽线，声呐信号发生器，其中，所述浮标本体悬浮在水面上，所述GPS天线安装在所述浮标本体中位于所述水面之上的位置，所述水下声呐拖拽线用于连接所述声呐信号发生器和所述浮标本体。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109229374A (zh) * 2018-10-11 2019-01-18 上海海事大学 一种舱式结构飞行潜航器
JPWO2020179491A1 (zh) * 2019-03-06 2020-09-10
CN110412508B (zh) * 2019-08-06 2023-04-11 青岛国海通讯科技有限公司 一种基于矢量水听器的主从式多uuv协同定位方法
CN110764533A (zh) * 2019-10-15 2020-02-07 哈尔滨工程大学 一种多水下机器人协同目标搜索方法
CN117135732B (zh) * 2023-08-28 2024-03-22 成都诸元天成智能装备有限公司 一种基于潜航设备的唤醒系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101854390A (zh) * 2010-05-25 2010-10-06 上海交通大学 移动式水下观测网络模拟平台
CN104865554A (zh) * 2015-05-05 2015-08-26 中国人民解放军91388部队 一种双同步水下合作目标跟踪定位方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100495066C (zh) * 2003-12-16 2009-06-03 中国测绘科学研究院 无高稳定频标的水下gps定位导航方法及其系统
CN101907711A (zh) * 2010-07-16 2010-12-08 浙江大学 一种自主水下机器人的同时检测与定位方法
CN102914786B (zh) * 2012-09-25 2014-05-14 北京理工大学 水下自主航行器auv自主定位方法
US8868268B2 (en) * 2013-03-12 2014-10-21 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy System and method for navigation for unmanned undersea vehicles
CN103336267B (zh) * 2013-07-02 2015-03-25 哈尔滨工程大学 一种基于水声通信延迟的主从式多uuv协同定位方法
CN104166121B (zh) * 2014-08-07 2016-09-14 广州市香港科大霍英东研究院 一种海洋无线传感器网络定位方法
CN104333904A (zh) * 2014-10-24 2015-02-04 浙江大学 一种移动水下传感器网络节点的分布式定位方法
CN104316045B (zh) * 2014-11-06 2017-06-16 东南大学 一种基于sins/lbl的auv水下交互辅助定位系统及定位方法
CN104656058B (zh) * 2015-01-27 2017-04-05 谢之恒 分布式多移动节点协作定位系统
CN105319534B (zh) * 2015-11-09 2018-08-17 哈尔滨工程大学 一种基于水声双程测距的多auv协同定位方法
CN105910603B (zh) * 2016-04-20 2018-08-14 北京理工大学 一种通信延迟下的多auv协同导航滤波方法
CN106842209B (zh) * 2017-01-24 2019-04-23 哈尔滨工程大学 一种多机器人协同水下地形匹配导航系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101854390A (zh) * 2010-05-25 2010-10-06 上海交通大学 移动式水下观测网络模拟平台
CN104865554A (zh) * 2015-05-05 2015-08-26 中国人民解放军91388部队 一种双同步水下合作目标跟踪定位方法

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