RU2556326C1 - Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы - Google Patents
Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556326C1 RU2556326C1 RU2014111388/28A RU2014111388A RU2556326C1 RU 2556326 C1 RU2556326 C1 RU 2556326C1 RU 2014111388/28 A RU2014111388/28 A RU 2014111388/28A RU 2014111388 A RU2014111388 A RU 2014111388A RU 2556326 C1 RU2556326 C1 RU 2556326C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- underwater robot
- beacon
- coordinates
- navigation
- robot
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для мобильного навигационного обеспечения подводных роботов, в том числе работающих в ледовых условиях. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого в процессе навигации подводного робота используется один опорный гидроакустический маяк, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для мобильного навигационного обеспечения подводных роботов, в том числе работающих в ледовых условиях.
Известен способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы (патент РФ №2444759, МПК G01S 15/08, 2012 г.). В нем для вычисления координат используют базу из М гидроакустических приемоответчиков, размещенных на дрейфующих станциях по водной поверхности и донных станциях на морском дне.
Недостатками способа являются: ограничение района дальностью связи подводного робота с отдельным приемоответчиком; ограничение мобильности, вызванное значительными временными затратами на развертывание и свертывание навигационной системы; увеличение стоимости навигационной системы за счет необходимости применения нескольких сложных автономных систем, какими являются дрейфующие по водной поверхности и донные гидроакустические приемоответчики.
Также известен способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна (патент РФ №2344435, МПК G01S 3/80, 2009 г.). В нем для определения координат используют один опорный гидроакустический маяк, буксируемый обеспечивающим судном, которое перемещают в соответствии с движениями подводного робота. Оценка координат производиться путем комплексной обработки данных бортовой системы счисления пути и сигналов гидроакустической навигационной системы.
Этот способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна, по своему функциональному назначению, по своей технической сущности и достигаемому результату наиболее близок заявленному и принят за прототип.
Недостатки прототипа:
- необходимость перемещать опорный гидроакустический маяк в соответствии с движением автономного подводного робота вдоль его трассы;
- необходимость в установке на борту подводного робота координат его стартовой точки.
Указанные недостатки вносят существенные трудности в применение подводных роботов в ледовых условиях ввиду того, что возможности перемещения опорного маяка ограничены, а всплытие для повторной установки стартовых координат в случае потери навигации часто затруднительно или невозможно.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа навигационного обеспечения подводного робота с использованием одного опорного гидроакустического маяка, обладающего высокой надежностью; точностью, достаточной для успешного исполнения миссии подводного робота; совместимостью с существующими на сегодняшний день подводными роботами; мобильностью.
Технический результат достигается тем, что для навигации подводного робота используется один опорный гидроакустический маяк, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; согласно изобретению на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения в соответствии с данными курса и скорости относительно предыдущего события (начало движения, прием навигационного сигнала); дополнительно к детерминированному сдвигу добавляют нормально распределенное случайное смещение, параметры которого равны оценочным параметрам ошибки измерения скорости и курса; производят пересчет вероятностей каждого предполагаемого положения согласно измерительным данным о курсе, скорости и времени распространения; вычисляют как математическое ожидание всех предполагаемых положений итоговую оценку координат подводного робота; добавляют к результату информацию о глубине подводного робота; формируют новый набор предполагаемых положений в зависимости от новых значений вероятностей; передают по гидроакустическому каналу данные, полученные на борту подводного робота, содержащие оценку его координат в составе обратного навигационного сигнала на опорный гидроакустический маяк, затем по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления, где отображают траекторию движения подводного робота в реальном масштабе времени.
Существенными отличительными от способа-прототипа признаками являются: 1) на борту подводного робота не производится установка координат его стартовой точки; 2) не производится счисление траектории движения подводного робота по данным датчиков скорости, курса и глубины; 3) нет необходимости в перемещении опорного гидроакустического маяка в соответствии с движениями подводного робота и, как следствие, в привязке пункта управления к обеспечивающему судну; 4) измеряется только время распространения навигационного сигнала между опорным маяком и аппаратом, следовательно, нет необходимости в предварительной оценке величины скорости звука в районе работы подводного робота; 5) вычисление координат подводного робота производится на основе набора предполагаемых положений с использованием вероятностной оценки.
Обзор известных изобретений показал, что заявленный способ обладает новым свойством, позволяющим подводному роботу без установки координат точки старта по ходу движения определить свое местоположение (решить задачу локализации) и затем продолжить выполнение миссии с сохранением надежной точности навигации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема реализации способа навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы с распределением оборудования на борту подводного робота и обеспечивающего судна или берегового пункта управления.
На борту подводного робота установлена аппаратура: 1 - бортовая навигационная система, в состав которой входят: датчик скорости (лаг Доплера), компас для определения курса, и датчик глубины; 2 - блок вычисления позиции, который может быть реализован как программно, так и программно-аппартно; 3 - приемник навигационных сигналов, в состав которого входят: устройство обработки навигационного сигнала для выделения координатной информации, измеритель времени распространения сигнала между роботом и аппаратом; 4 - передатчик навигационных сигналов, содержащий информацию о текущих координатах подводного робота.
На опорном гидроакустическом маяке установлены: 5 - приемник навигационных сигналов, включающий устройство обработки навигационных сигналов для выделения координатной информации; 6 - передатчик навигационных сигналов, содержащий информацию о текущих координатах опорного маяка; 7 - аппаратура связи с обеспечивающим судном или береговым пунктом управления; 8 - приемник GPS для определения текущих координат.
Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы реализуется следующим образом.
Подводный робот посредством судовых средств опускают в воду, предварительно зафиксировав на борту координаты точки его погружения. Затем в области погружения устанавливают опорный гидроакустический маяк и определяют его координаты с помощью приемника GPS 8. На борту подводного робота в блоке вычисления позиции 2 инициализируют начальные предполагаемые положения робота:
1. Создают два массива хр [xp1..xpnpart], yp [yp1..ypnpart] содержащие координаты предполагаемых положений робота (npart - число позиций) в локальной координатной системе подводного робота.
2. Инициализируют созданные массивы координатами точек, равномерно распределенных в пределах радиуса R вокруг точки погружения.
3. Создают массив вероятностей предполагаемых положений p [p1..pnpart].
4. Все предполагаемые положения в начальный момент времени равновероятно могут быть реальной позицией аппарата. Поэтому массив вероятностей предполагаемых положений p заполняют значениями 1/npart.
5. Вычисляют вектор с [c1..cnpart] который содержит кумулятивную функцию вероятностей p.
6. Вычисляют стартовое положение как математическое ожидание всех предполагаемых положений.
Затем подводный робот начинает выполнение миссии. Через передатчик навигационных сигналов 6 излучают навигационный сигнал. Этот сигнал принимается приемником 3, который вычисляет время распространения и выделяет данные о координатах маяка, передавая полученную информацию в вычислитель 2. Бортовая навигационная система 1 непрерывно снабжает блок 2 данными о курсе и скорости.
Внутри блока вычисления позиции 2 выполняют следующий алгоритм:
Шаг первый: ресемплинг. Каждое предполагаемое положение 1..npart заменяют новым:
a) Генерируют случайное число r в диапазоне [0..1] по равномерному закону
b) Производят поиск первого элемента с [c1..cnpart] удовлетворяющего условию:
с) Координаты нового предполагаемого положения принимают (xp(i), yp(i))
Шаг второй. Детерминированный сдвиг:
a) Производят детерминированный сдвиг предполагаемых положений:
где xp(i)j-1, yp(i)j-1 - координаты i-го предполагаемого положения; Δ это смещение, которое рассчитывается по формуле:
где νAUV - скорость подводного робота; dt - время, прошедшее между двумя событиями (начало движения, прием навигационного сигнала); α - курс подводного робота.
b) Производят случайный сдвиг:
где wxpi - случайная величина, сгенерированная по нормальному закону с математическим ожиданием xpi и среднеквадратическим отклонением sigma (выбирается в зависимости от предполагаемых ошибок измерений курса и скорости подводного робота); wypi - случайная величине, сгенерированная по нормальному закону с математическим ожиданием ypi и среднеквадратическим отклонением sigma (выбирается в зависимости от предполагаемых ошибок измерений курса и скорости подводного робота).
Шаг третий. Формирование оценки координат подводного робота:
а) Производят пересчет массива вероятностей предполагаемых положений p [p1..pnpart]. Вероятность рассчитывается относительно следующих параметров:
где pτ(i) - вероятность относительно измеренного времени распространения для i-го предполагаемого положения; pdτ(i) - вероятность относительно изменения времени распространения для i-го предполагаемого положения; pα(i) - вероятность относительно изменения направления движения для i-го предполагаемого положения; d(i) - расстояние между i-м предполагаемым положением и опорным маяком; vs - скорость звука в воде; τ - измеренное время распространения; sigmaτ - коэффициент среднеквадратического отклонения по τ; dτ - изменение измеренного времени распространения относительно предыдущего события; dτest - изменение вычисленного времени распространения относительно предыдущего события; sigmadτ - коэффициент среднеквадратического отклонения по dτ; dα - изменение измеренного времени распространения относительно предыдущего события; dαest - изменение вычисленного времени распространения относительно предыдущего события; sigmadα - коэффициент среднеквадратического отклонения по dα;
b) Оценивают координаты подводного робота как математическое ожидание всех предполагаемых положений:
с) Производят пересчет кумулятивной функции вероятностей p - вектор с [c1..cnpart].
К полученной оценке добавляют данные о глубине подводного робота. Эта информация поступает в передатчик 4, затем по гидроакустическому каналу в приемник 5. Аппаратура 7 осуществляет передачу навигационной информации по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления.
Таким образом, заявленный способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы обладает следующими преимуществами:
- Высокая надежность. Способ не требует начальной установки координат старта на борту подводного робота, что позволяет эксплуатировать робот без аварийных всплытий, вызванных потерей навигации.
- Сохранение уровня точности определения координат на протяжении всей миссии подводного робота. В способе не используется система счисления пути, главный недостаток которой накопление ошибки.
- Универсальность. Благодаря упрощенной структуре способ может быть использован для навигации любых подводных роботов, оснащенных гидроакустической приемо-передающей аппаратурой, путем простой программной (если позволяю вычислительные ресурсы робота) или программно-аппаратной модернизации.
- Мобильность. Для навигации подводного робота требуется только установка одного гидроакустического маяка.
Claims (1)
- Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы, заключающийся в использовании одного опорного гидроакустического маяка, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; отличающийся тем, что на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения в соответствии с данными курса и скорости относительно предыдущего события (начало движения, прием навигационного сигнала); дополнительно к детерминированному сдвигу добавляют нормально распределенное случайное смещение, параметры которого равны оценочным параметрам ошибки измерения скорости и курса; производят пересчет вероятностей каждого предполагаемого положения согласно измерительным данным о курсе, скорости и времени распространения; вычисляют как математическое ожидание всех предполагаемых положений итоговую оценку координат подводного робота; добавляют к результату информацию о глубине подводного робота; формируют новый набор предполагаемых положений в зависимости от новых значений вероятностей; передают по гидроакустическому каналу данные, полученные на борту подводного робота, содержащие оценку его координат в составе обратного навигационного сигнала, на опорный гидроакустический маяк, затем по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления, где отображают траекторию движения подводного робота в реальном масштабе времени.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111388/28A RU2556326C1 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111388/28A RU2556326C1 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2556326C1 true RU2556326C1 (ru) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014111388/28A RU2556326C1 (ru) | 2014-03-25 | 2014-03-25 | Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2556326C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110109046A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-09 | 天津大学 | 一种水声信标的示位方法及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344435C1 (ru) * | 2007-05-08 | 2009-01-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна |
| RU2365939C1 (ru) * | 2008-06-03 | 2009-08-27 | Юрий Владимирович Румянцев | Способ навигации подводного объекта |
| RU2444759C1 (ru) * | 2010-09-21 | 2012-03-10 | Юрий Николаевич Жуков | Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы |
| RU2456634C1 (ru) * | 2011-03-16 | 2012-07-20 | Юрий Николаевич Жуков | Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы |
| RU2460043C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Андрей Федорович Зеньков | Система навигации автономного необитаемого подводного аппарата |
-
2014
- 2014-03-25 RU RU2014111388/28A patent/RU2556326C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344435C1 (ru) * | 2007-05-08 | 2009-01-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна |
| RU2365939C1 (ru) * | 2008-06-03 | 2009-08-27 | Юрий Владимирович Румянцев | Способ навигации подводного объекта |
| RU2444759C1 (ru) * | 2010-09-21 | 2012-03-10 | Юрий Николаевич Жуков | Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы |
| RU2456634C1 (ru) * | 2011-03-16 | 2012-07-20 | Юрий Николаевич Жуков | Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы |
| RU2460043C1 (ru) * | 2011-05-20 | 2012-08-27 | Андрей Федорович Зеньков | Система навигации автономного необитаемого подводного аппарата |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110109046A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-09 | 天津大学 | 一种水声信标的示位方法及装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2689263B1 (en) | Determining a position of a submersible vehicle within a body of water | |
| US9223002B2 (en) | System and method for determining the position of an underwater vehicle | |
| US7139647B2 (en) | Methods and systems for navigating under water | |
| KR100906362B1 (ko) | 2개의 기준점에 대한 거리정보와 저정밀도 관성센서를 이용한 무인잠수정 선단의 의사 lbl 수중항법시스템 | |
| JP2020500303A (ja) | オフショアｇｎｓｓ基準局装置、オフショアｇｎｓｓ測位システム、および測位基準データオフショアを生成する方法 | |
| RU2365939C1 (ru) | Способ навигации подводного объекта | |
| RU2469346C1 (ru) | Способ позиционирования подводных объектов | |
| RU2344435C1 (ru) | Способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна | |
| CA3061547A1 (en) | Navigation system for underwater vehicles | |
| Matsuda et al. | Performance analysis on a navigation method of multiple AUVs for wide area survey | |
| RU2629916C1 (ru) | Способ и устройство определения начальных координат автономного необитаемого подводного аппарата | |
| JP2018084445A (ja) | 水中音響測位システム | |
| RU2687844C1 (ru) | Способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата большой автономности, совершающего протяженный подводный переход | |
| RU2398316C2 (ru) | Способ подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем при нахождении подводного объекта на горизонте плавания и устройство для его осуществления с использованием гидроакустического канала передачи навигационной информации | |
| JP7133196B2 (ja) | 水中機器回収方法、及び水中機器回収システム | |
| JP7342244B2 (ja) | オブジェクトの深度を決定する方法及びシステム | |
| RU2556326C1 (ru) | Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы | |
| RU2555479C2 (ru) | Способ высокоточного координирования подводного комплекса в условиях подледного плавания | |
| US10908250B1 (en) | Self surveying navigation system | |
| RU2606241C1 (ru) | Способ определения относительного положения летательных аппаратов при межсамолетной навигации | |
| Inzartsev et al. | The integrated navigation system of an autonomous underwater vehicle and the experience from its application in high arctic latitudes | |
| RU2792922C1 (ru) | Способ позиционирования автономного подводного аппарата в глубоком море | |
| RU2703806C1 (ru) | Бортовая система беспилотного летательного аппарата (БЛА) с автономной коррекцией координат | |
| JP7362343B2 (ja) | 水中作業システム | |
| US20240036587A1 (en) | Method, vehicle, system and computer program for determining and/or improving a position estimation of a vehicle |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160326 |