[发明专利]一种基于重力梯度信息测距的协同导航方法

说明书

本发明公开了一种基于重力梯度信息测距的协同导航方法，采用主从式协同导航结构进行，主AUV通过自身导航设备获得自身的位置信息，主AUV上的重力梯度仪通过从AUV引起的重力梯度异常来获取主AUV和从AUV之间的相对距离：主AUV和从AUV运动过程中不断进行信息交互，从AUV持续采用扩展卡尔曼滤波进行位置误差修正以进行实时定位。实现了无源测距，在测量时具有实时性，减少了协同导航过程中信号的发射，增强了隐蔽性、耗时较少。

技术领域

本发明涉及水下导航技术领域，特别是涉及一种基于重力梯度信息测距的协同导航方法。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是探索和研究海洋的重要装备，具有灵活、可靠、隐蔽等特性，在民用和军事方面都有广泛的应用。随着对海洋领域的研究不断扩大和深入，单个航行器很难完成复杂的水下任务，多自主水下航行协作系统被提出。协同导航是多自主水下航行器协作执行水下任务的基础。多自主水下航行器通过信息共享来进行协同导航，有利于提高系统导航的整体精度和鲁棒性，增强了系统的协作能力。

在协同导航过程中，导航精度低的水下航行器可以融合导航精度高的水下航行器的导航信息，来提升它的导航精度。其中导航精度高的为主AUV，导航精度低的为从AUV。主AUV将它的高精度位置信息和测量信息(相对距离和方位)发送给从AUV。从AUV利用接收到的主AUV导航信息修正自身的导航定位误差。

获取水下航行器间的观测信息是协同导航的关键。通过水下声呐测距、测角实现相互观测是常用的方法，但需要向外发射声脉冲信号，利用声信号的传播时间进行测量，这不利于隐蔽性。同时，水声信号的传播有延时性，会受到水下环境的干扰，影响相互观测。重力是物体固有属性，重力梯度是重力的导数。水下航行器在自身周围会引起重力梯度异常。在协同导航中，装备有重力梯度仪的水下航行器在一定范围能测量到另一水下航行器引起的重力梯度异常，通过相关算法实现测距、测向，作为协同导航的观测信息。

目前也有现有技术是关于组合导航，但重力梯度辅助GGI、卫星定位GPS、惯性导航INS三种模块都在同一载体上，不涉及多个载体的协同导航。对信息的处理也是在这个硬件框架基础上进行三种模块得到的导航信息进行信息融合，GGI和GPS根据自身的测量周期校正INS的导航位置、速度，并无法获取多个载体的协同导航数据；由于组合导航模型本身的限制，会影响最终的定位精度，同时由于利用多种模块进行有源测距，隐蔽性有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于重力梯度信息测距的协同导航方法，实现了无源测距，在测量时具有实时性，减少了协同导航过程中信号的发射，增强了隐蔽性、耗时较少。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于重力梯度信息测距的协同导航方法，其特征在于：

采用主从式协同导航结构进行，所述主从式协同导航结构包括至少一个从AUV，主AUV携带导航设备和重力梯度仪，从AUV上配置比主AUV导航设备精度低的导航设备，主AUV和从AUV上携带的导航设备至少有压力深度计、测速仪、惯性单元和陀螺仪；主AUV通过自身导航设备获得自身的位置信息，主AUV上的重力梯度仪通过从AUV引起的重力梯度异常来获取主AUV和从AUV之间的相对距离：主AUV和从AUV运动过程中不断进行信息交互，从AUV持续采用扩展卡尔曼滤波进行位置误差修正以进行实时定位。

进一步的，本发明包括如下具体步骤：

S1：在行驶过程中两个连续时刻，主AUV分别测量自身与从AUV之间的相对距离，并保存各时刻时主AUV与从AUV之间的相对距离、以及主AUV的位置信息作为导航信息；

S2：建立从AUV的运动状态方程；

S3：主AUV通过水声隐蔽通信向从AUV发送所保存的导航信息；