CN114018252B - 一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，当航行器运行到某作业区域之后，释放浮标，水下航行器接收由上浮至水面的浮标的换能器发送的数据包，该数据包里面包含了浮标的经纬度信息以及UTC时间，被定位目标AUV的换能器在接收到浮标法发送的数据之后，将信号传递到航行器的处理器中并对数据进行解析计算，最终求得航行器的定位信息。本发明较于传统方案中单纯依靠AUV自身定位或AUV协同定位，有着更高的精度，同时也不需要配备多个高精度设备，节约成本。且本发明与传统方案中依靠海底应答器基阵来实现AUV的定位方法相比，本发明中水上浮标的投放布置比海底应答器基阵的投放布置更加方便、快捷，同时，水上浮标可在使用之后随时回收，节约成本。

Description

一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法
技术领域
本发明涉及惯性导航与水声定位技术领域，尤其是一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法。
背景技术
通常，AUV需要通过航位推算的方法来对自身的位置进行定位。但是，在AUV执行任务时，随着时间的推移，导航设备的定位误差越来越大，需要 AUV上浮水面利用GPS来完成校准，极大地浪费了AUV的能源。
为此，大量学者提出了集群AUV协同导航的方案。目前，国内外关于集群AUV 协同导航的方案主要有两种：1、多个AUV之间利用水声导航进行信息交互，实现 AUV的定位；2、设置水底应答器基阵，利用水声导航来进行应答器基阵和AUV之间的信息交互，实现AUV的定位。但是，这两种传统方案仍存在很多问题：传统方案1，AUV定位精度严重依赖自身携带的设备的精度，但由于高精度设备价格昂贵，只能给少部分的AUV配备；传统方案2，由于应答器必须置放于水底或海底，这给应答器的投放和回收造成了巨大的困难，可想而知，如果在深海区域，设置应答器基阵这种方案是行不通的。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种设计合理、精度高且性能稳定的基于水上浮标的自主水下航行器定位方法。
一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，包括以下步骤：
步骤1：将a,b,c三个水上浮标布放至工作区域，水上浮标通过北斗卫星导航系统模块获得自身位置的经度和纬度信息与UTC时间，通过水声通信技术将位置信息以周期T发送至AUV；
步骤2：AUV通过传输时间其中x＝a,b,c，计算出AUV与三个水上浮标的相对距离/>以水上浮标为球心，相对距离/>为半径，分别画出三个球形，这时三个球形会交于两点，而且这两点关于水面对称，水下的点即为AUV的位置；再用深度传感器测量出AUV的深度；根据几何关系与航行器的深度信息可以解算出航行器在大地坐标系下的坐标。
进一步的，水上浮标是由AUV释放至工作区域，当AUV完成水下工作后，通过对水上浮标的北斗卫星导航系统模块进行定位，逐一对水上浮标进行回收。
进一步的，步骤1中，将3个水上浮标布放至工作区域，水上浮标和AUV开始执行任务，水上浮标通过其自身的北斗卫星导航系统模块来获得自身位置的经度和纬度信息(北纬lat_xi°东经long_xi°)；再通过电发送机将浮标自身位置信息(包含从北斗卫星导航系统模块获得的当前时间t0，即为换能器发送信号时间为t0)转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器以周期T将该电信号转换为声信号，声信号通过水这一介质，将信息传递到AUV的接收换能器，AUV的接收换能器接收声信号的时刻为ti，那么声信号传输所用的时间为：
式中：i＝1,2,...,n表示测量次数。
AUV的接收换能器接收到声信号后，又将声信号转换为电信号，解码器将数字信息破译后，获得水上浮标所处位置的经纬度信息。
进一步的，步骤2的具体操作方式为：
首先，AUV通过传输时间计算出AUV与三个水上浮标a,b,c的相对距离可以通过多次测量得到AUV与三个水上浮标a,b,c的相对距离la、lb、 lc；
然后，建立以a号水上浮标中心为原点的东北天直角坐标系，将b号水上浮标和 c号水上浮标的经纬度信息转化为该直角坐标系的坐标点，步骤如下：
xb＝(lat_b-lat_a)*111000
yb＝(long_b-long_a)*111000*cos(lat_b)
xc＝(lat_c-lat_a)*111000
yc＝(long_c-long_a)*111000*cos(lat_c)
所以，b号水上浮标坐标为：(xb,yb,0)，c号水上浮标坐标为：(xc,yc,0)；
可以通过三个浮标的自身位置求出三者之间的距离分别为：lab、lac、lbc，根据声学设备测出航行器与浮标之间的距离为：la、lb、lc，航行器与浮标所在直线与水平面形成的夹角(锐角)分别为：θa、θb、θc，由深度传感器得到航行器距离水面的距离(即深度)为h。则三个浮标的位置坐标点分别为：a(0,0,0)、b(xb,yb,0)、c(xc,yc,0)。根据几何关系得到：
由上式可知
而AUV在水面上的对应点d与三个浮标的距离为
lad＝lacosθa
lbd＝lbcosθb
lcd＝lccosθc
根据余弦定理知：
可以解算出
其中α、β为0-180°之间。最终根据几何关系得到航行器在以a号浮标为坐标原点下的坐标为
xAUV＝lad cos(α+β)
yAUV＝lad sin(α+β)
zAUV＝-h
有益效果
1、本发明较于传统方案中单纯依靠AUV自身定位或AUV协同定位，有着更高的精度，同时也不需要配备多个高精度设备，节约成本。
2、本发明与传统方案中依靠海底应答器基阵来实现AUV的定位方法相比，本发明中水上浮标的投放布置比海底应答器基阵的投放布置更加方便、快捷，同时，水上浮标可在使用之后随时回收，节约成本。
3、本发明轻巧的设计、灵活的用途和多样性的功能使其可满足多个领域的需要，为其他发明和设计提供新思路。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的坐标系示意图
图2是本发明的工作示意图
图3是本发明工作流程图
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中的一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，如图1所示，当航行器运行到某作业区域之后，释放浮标，水下航行器接收由上浮至水面的浮标的换能器发送的数据包，该数据包里面包含了浮标的经纬度信息以及UTC时间，被定位目标 AUV的换能器在接收到浮标法发送的数据之后，将信号传递到航行器的处理器中并对数据进行解析计算，最终求得航行器的定位信息。
本实施例具体包括以下步骤：
步骤1：将a,b,c三个水上浮标布放至工作区域，水上浮标和AUV开始执行任务，水上浮标通过其自身的北斗卫星导航系统模块获得自身位置的经度和纬度信息(北纬 lat_xi°东经long_xi°)与UTC时间；再通过电发送机将浮标自身位置信息(包含从北斗卫星导航系统模块获得的当前时间t0，即为换能器发送信号时间为t0)转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器以周期T将该电信号转换为声信号，声信号通过水这一介质，将信息传递到AUV的接收换能器，AUV的接收换能器接收声信号的时刻为ti，那么声信号传输所用的时间为：
式中：i＝1,2,...,n表示测量次数。
AUV的接收换能器接收到声信号后，又将声信号转换为电信号，解码器将数字信息破译后，获得水上浮标所处位置的经纬度信息。
步骤2：AUV通过传输时间其中x＝a,b,c，计算出AUV与三个水上浮标的相对距离/>
上式中v为声速。
以水上浮标为球心，相对距离为半径，分别画出三个球形，这时三个球形会交于两点，而且这两点关于水面对称，水下的点即为AUV的位置；再用深度传感器测量出AUV的深度；根据几何关系与航行器的深度信息可以解算出航行器在大地坐标系下的坐标；
建立以a号水上浮标中心为原点的东北天直角坐标系，如图2，将b号水上浮标和c号水上浮标的经纬度信息转化为该直角坐标系的坐标点，步骤如下：
xb＝(lat_b-lat_a)*111000
yb＝(long_b-long_a)*111000*cos(lat_b)
xc＝(lat_c-lat_a)*111000
yc＝(long_c-long_a)*111000*cos(lat_c)
所以，b号水上浮标坐标为：(xb,yb,0)，c号水上浮标坐标为：(xc,yc,0)；
可以通过三个浮标的自身位置求出三者之间的距离分别为：lab、lac、lbc，根据声学设备测出航行器与浮标之间的距离为：la、lb、lc，航行器与浮标所在直线与水平面形成的夹角(锐角)分别为：θa、θb、θc，由深度传感器得到航行器距离水面的距离(即深度)为h。则三个浮标的位置坐标点分别为：a(0,0,0)、b(xb,yb,0)、c(xc,yc,0)。根据几何关系得到：
由上式可知
而AUV在水面上的对应点d与三个浮标的距离为
lad＝la cosθa
lbd＝lb cosθb
lcd＝lc cosθc
根据余弦定理知：
可以解算出
其中α、β为0-180°之间。最终根据几何关系得到航行器在以a号浮标为坐标原点下的坐标为
xAUV＝lad cos(α+β)
yAUV＝lad sin(α+β)
zAUV＝-h
当AUV完成水下工作后，利用电台通讯，通过对水上浮标的北斗卫星导航系统模块进行定位，逐一对水上浮标进行回收。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将至少3个水上浮标布放至工作区域，水上浮标获取自身经度和纬度信息，并将经度和纬度信息以及发送时间数据发送至自主水下航行器；
步骤2：自主水下航行器通过传输时间，计算得到自主水下航行器与各个水上浮标的相对距离；利用自主水下航行器与各个水上浮标的相对距离、各个水上浮标之间的相对距离以及自主水下航行器自身探测的深度数据，解算得到自主水下航行器自身坐标；
所述步骤2的具体过程为：自主水下航行器通过传输时间，计算得到自主水下航行器与三个水上浮标a,b,c的相对距离la、lb、lc；
建立以a号水上浮标中心为原点的东北天直角坐标系，将b号水上浮标和c号水上浮标的经纬度信息转化为该直角坐标系的坐标点：
b号水上浮标坐标为：(xb,yb,0)，c号水上浮标坐标为：(xc,yc,0)；
而解算得到的自主水下航行器在以a号水上浮标中心为原点的东北天直角坐标系下的坐标为：
xAUV＝ladcos(α+β)
yAUV＝ladsin(α+β)
zAUV＝-h
其中h为自主水下航行器距离水面的距离，通过自主水下航行器的深度传感器得到，lad为自主水下航行器在水面上的对应点d与a号水上浮标中心的距离，α为c号水上浮标与a号水上浮标的连线同所述东北天直角坐标系x方向的夹角，β为c号水上浮标与a号水上浮标的连线同点d与a号水上浮标的连线的夹角；
其中lad＝lacosθa，θa为自主水下航行器与a号水上浮标所在直线与水平面形成的夹角，
而lac为a号水上浮标与c号水上浮标距离，lcd为点d与c号水上浮标距离。
2.根据权利要求1所述一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，其特征在于：自主水下航行器在航行到需要进行定位的工作区域时，释放3个水上浮标并进行定位，自主水下航行器在完成水下工作后，通过接收水上浮标自身发出的经度和纬度信息对水上浮标进行定位，逐一对水上浮标进行回收。
3.根据权利要求2所述一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，其特征在于：步骤1中的具体过程为：自主水下航行器在航行到需要进行定位的工作区域时，释放3个水上浮标，水上浮标通过自身的卫星导航模块获得自身位置的经度和纬度信息，再通过电发送机将浮标自身位置信息以及发送时间数据t0转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器以周期T将该电信号转换为声信号，声信号通过水介质传递到自主水下航行器的接收换能器，接收声信号的时刻为ti，得到声信号传输时间。
4.根据权利要求1所述一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，其特征在于：自主水下航行器利用传输时间，通过多次测量取均值方式计算得到自主水下航行器与三个水上浮标a,b,c的相对距离la、lb、lc。
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