CN114281089A - 一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法 - Google Patents

一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，根据协同导航预设的领航UUV编队队形，建立协同导航不同编队下的几何因子数据库，将不同队形的几何因子数据库分发至各跟随UUV；跟随UUV根据任务划分在区域内航行，判定几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限，若三者皆没有超过门限，那么跟随UUV继续自由航行，否则跟随UUV自身规划路径，并改善几何因子和传播时延。本发明以一种多约束模型约束跟随UUV的航行区域，从而使得协同导航时刻处于良好的效能，从而改善协同导航定位精度，避免跟随UUV离队。

Description

一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法
技术领域
本发明属于水下航行器协同导航技术领域，尤其是一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法。
背景技术
水下多UUV协同导航技术发展到今天，越来越向实际工程方面发展，协同导航编队是影响协同效能的重要因素，因此在协同导航过程中，应对领航UUV和跟随UUV的运动进行合理的约束，以满足协同导航的效能。这当然依赖于水下编队控制技术的发展，但这不在本文的讨论范畴，本文假定控制技术已经较为成熟，可以控制UUV按照预设编队航行，基于此，本文提出一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法来提高协同导航的效能。
目前的编队约束方法，并未根据领航UUV队形建立几何因子数据库对跟随UUV的位置进行约束，也未实际考虑水声通信测距的限制对UUV的位置进行约束，这均会对协同导航的效能产生影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，以一种多约束模型约束跟随UUV的航行区域，从而使得协同导航时刻处于良好的效能，从而改善协同导航定位精度，避免跟随UUV离队。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，包括以下步骤：
步骤1、协同导航任务准备，根据协同导航精度需求，设定协同导航领航UUV的编队间距及编队队形；
步骤2、根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，构建基于领航UUV的导航几何因子数据库，并将数据库分发至各个单体；
步骤3、进行协同导航任务，输入步骤2得到的导航几何因子数据库，跟随UUV根据协同导航任务在区域进行航行，并计算当前几何精度因子，判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限，若大于门限则进行步骤4，否则进行步骤5；
步骤4、跟随UUV自身规划路径，并改善几何因子和传播时延；
步骤5、跟随UUV继续自由航行，并返回步骤3。
而且，所述步骤1的具体实现方法为：根据协同导航精度需求，反求领航UUV编队间距，且领航UUV的编队约束为正多边形，同时利用球面交叉定位算法进行编队间距反求。
而且，所述步骤2的具体实现方法为：根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，构建协同导航几何因子数据库。
而且，所述利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，构建协同导航几何因子数据库的具体实现方法为：
定义函数f:
Figure BDA0003380619440000021
用估计位置定义函数
Figure BDA0003380619440000022
接收机的实际位置为：
Figure BDA0003380619440000023
得到：
Figure BDA0003380619440000024
在收敛附近，
Figure BDA0003380619440000025
比
Figure BDA0003380619440000026
小很多，进行一阶泰勒级数展开，得到：
Figure BDA0003380619440000027
考虑到中间变量：
Figure BDA0003380619440000028
方程转换为：
Figure BDA0003380619440000029
估计值和实际伪距之间的最终关系式为：
Figure BDA00033806194400000210
以矩阵的形式表示：
Figure BDA00033806194400000211
经过数次跌迭代，当满足|Δxr|+|Δyr|＜ε时，迭代停止，最终HDOP表示成：
M＝(HTH)-1
扫描编队范围内的位置，得到几何精度因子数据库，其中，(xr,yr)为跟随UUV真实位置；
Figure BDA0003380619440000031
为跟随UUV初始位置估计值；
Figure BDA0003380619440000032
为真实的位置与估计位置之间的差，(xi,yi)为领航UUV的位置坐标。
而且，所述步骤3中几何因子门限由协同导航精度要求确定，直达声水声时延门限由领航UUV和跟随UUV的深度以及当前所处海洋环境下的水下声速由射线声学方法确定，最大水声测距通信作用距离时延门限由水声通信设备的通信范围确定。
而且，所述步骤3中判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限三者为或关系，三者至少其一超过对应门限，则进行步骤4，否则进行步骤5。
而且，所述步骤4的具体实现方法为：给跟随UUV发送反馈信号，要求跟随UUV从新规划路径，并且使得几何因子和水声时延均不超过对应门限。
本发明的优点和积极效果是：
本发明根据协同导航预设的领航UUV编队队形，同时建立协同导航不同编队下的几何因子数据库，并将不同队形的几何因子数据库分发至各跟随UUV；跟随UUV根据任务划分在区域内航行，每隔一段时间对跟随UUV的状态进行一次判定，判定几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限，若三者皆没有超过门限，那么跟随UUV继续自由航行，否则跟随UUV自身规划路径，并改善几何因子和传播时延。本发明以一种多约束模型约束跟随UUV的航行区域，从而使得协同导航时刻处于良好的效能，从而改善协同导航定位精度，避免跟随UUV离队。
附图说明
图1为本发明步骤1协同导航准备阶段的流程图；
图2为本发明步骤3至步骤5协同导航开始阶段流程图；
图3为本发明基于球面交叉定位算法反求领航UUV间距的仿真结果图；
图4为本发明求解区域几何精度因子的结果图；
图5为本发明直达声时延门限求解图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，步骤1和步骤2如图1所示，步骤3之步骤5如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、协同导航任务准备，根据协同导航精度需求，设定协同导航领航UUV的编队间距及编队队形。
如图3所示，根据协同导航精度需求，反求领航UUV编队间距，且领航UUV的编队约束为正多边形，在求领航UUV编队间距时，利用球面交叉定位算法进行编队间距反求，得到协同导航领航UUV的编队间距及编队队形的仿真结果图。
步骤2、根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，构建基于领航UUV的导航几何因子数据库，并将数据库分发至各个单体。
根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，得到协同导航几何因子数据库。
本步骤中利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，构建协同导航几何因子数据库的具体实现方法为：
定义函数f:
Figure BDA0003380619440000041
用估计位置定义函数
Figure BDA0003380619440000042
接收机的实际位置为：
Figure BDA0003380619440000043
得到：
Figure BDA0003380619440000044
在收敛附近，
Figure BDA0003380619440000045
比
Figure BDA0003380619440000046
小很多，进行一阶泰勒级数展开，得到：
Figure BDA0003380619440000047
考虑到中间变量：
Figure BDA0003380619440000048
方程转换为：
Figure BDA0003380619440000049
估计值和实际伪距之间的最终关系式为：
Figure BDA00033806194400000410
以矩阵的形式表示：
Figure BDA00033806194400000411
经过数次跌迭代，当满足|Δxr|+|Δyr|＜ε时，迭代停止，最终HDOP表示成：
M＝(HTH)-1
扫描编队范围内的位置，得到几何精度因子数据库，其中，(xr,yr)为跟随UUV真实位置；
Figure BDA0003380619440000051
为跟随UUV初始位置估计值；
Figure BDA0003380619440000052
为真实的位置与估计位置之间的差，(xi,yi)为领航UUV的位置坐标。
步骤3、进行协同导航任务，在在协同导航的初始阶段，所有UUV的导航系统时钟利用GNSS信号进行校准，确保时钟同步，输入步骤2得到的导航几何因子数据库，如图4所示，跟随UUV根据协同导航任务在区域进行航行，并计算当前几何精度因子，如图5所示，判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限，若大于门限则进行步骤4，否则进行步骤5。
本步骤中几何因子门限由协同导航精度要求确定，直达声水声时延门限由领航UUV和跟随UUV的深度以及当前所处海洋环境下的水下声速由射线声学方法确定，最大水声测距通信作用距离时延门限由水声通信设备的通信范围确定。
本步骤中判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限三者为“与、或、非”中的“或”的关系，即三者至少其一超过对应门限，则进行步骤4，否则进行步骤5。
步骤4、跟随UUV自身规划路径，并改善几何因子和传播时延。
本步骤的具体实现方法为：给跟随UUV发送反馈信号，要求跟随UUV从新规划路径，并且使得几何因子和水声时延均不超过对应门限，至于跟随UUV如何规划路径及相关反馈控制方法则不属于本专利的范畴。
步骤5、跟随UUV继续自由航行，并返回步骤3。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、协同导航任务准备，根据协同导航精度需求，设定协同导航领航UUV的编队间距及编队队形；
步骤2、根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，构建基于领航UUV的导航几何因子数据库，并将数据库分发至各个单体；
步骤3、进行协同导航任务，输入步骤2得到的导航几何因子数据库，跟随UUV根据协同导航任务在区域进行航行，并计算当前几何精度因子，判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限，若大于门限则进行步骤4，否则进行步骤5；
步骤4、跟随UUV自身规划路径，并改善几何因子和传播时延；
步骤5、跟随UUV继续自由航行，并返回步骤3。
2.根据权利要求1所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：根据协同导航精度需求，反求领航UUV编队间距，且领航UUV的编队约束为正多边形，同时利用球面交叉定位算法进行编队间距反求。
3.根据权利要求1所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：根据步骤1设定的领航UUV的编队间距及编队队形，利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，构建协同导航几何因子数据库。
4.根据权利要求3所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述利用球面交叉定位算法扫描编队周围区域内的几何因子，扫描的区域范围根据作业范围和精度要求确定，构建协同导航几何因子数据库的具体实现方法为：
定义函数f:
Figure FDA0003380619430000011
用估计位置定义函数
Figure FDA0003380619430000012
接收机的实际位置为：
Figure FDA0003380619430000013
得到：
Figure FDA0003380619430000014
在收敛附近，
Figure FDA0003380619430000015
比
Figure FDA0003380619430000016
小很多，进行一阶泰勒级数展开，得到：
Figure FDA0003380619430000017
考虑到中间变量：
Figure FDA0003380619430000021
方程转换为：
Figure FDA0003380619430000022
估计值和实际伪距之间的最终关系式为：
Figure FDA0003380619430000023
以矩阵的形式表示：
Figure FDA0003380619430000024
经过数次跌迭代，当满足|Δxr|+|Δyr|＜ε时，迭代停止，最终HDOP表示成：
M＝(HTH)-1
扫描编队范围内的位置，得到几何精度因子数据库，其中，(xr,yr)为跟随UUV真实位置；
Figure FDA0003380619430000025
为跟随UUV初始位置估计值；
Figure FDA0003380619430000026
为真实的位置与估计位置之间的差，(xi,yi)为领航UUV的位置坐标。
5.根据权利要求1所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述步骤3中几何因子门限由协同导航精度要求确定，直达声水声时延门限由领航UUV和跟随UUV的深度以及当前所处海洋环境下的水下声速由射线声学方法确定，最大水声测距通信作用距离时延门限由水声通信设备的通信范围确定。
6.根据权利要求1所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述步骤3中判断几何因子和几何因子门限、水声时延和直达声水声时延门限、水声时延和最大水声测距通信作用距离时延门限三者为或关系，三者至少其一超过对应门限，则进行步骤4，否则进行步骤5。
7.根据权利要求1所述的一种基于多约束模型的水下协同导航编队约束方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：给跟随UUV发送反馈信号，要求跟随UUV从新规划路径，并且使得几何因子和水声时延均不超过对应门限。
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冯之文;姚尧;苗艳;冯景祥;: "基于时延补偿的AUV领航跟随编队控制" *

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