[发明专利]基于双移动声信标测距辅助的水下航行器协同定位方法

说明书

本发明公开了一种基于双移动声信标测距辅助的水下航行器协同定位方法，用于提高水下航行器的定位精度，以解决水下导航定位难的问题。无人船携带USBL水声定位和通信设备，UUV上安装有航向、航速和航向角速度传感器以及OEM应答器。无人船周期性将自身的位置发送给UUV携带的应答器，USBL同时测得UUV相对于无人船USV的位置。当UUV接收到USV的位置坐标后，利用扩展卡尔曼滤波的方法进行自身定位，同时，UUV将定位结果通过应答器发送给两个USV，使两个USV以UUV作为领航者，随UUV一起编队运行。编队队形保持与UUV之间的距离为设定的安全距离，且两个USV与UUV之间的夹角为90°。本发明利用了无人船携带USBL辅助UUV定位以及编队控制算法，解决了水下航行器UUV定位精度不高的问题。

技术领域

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种水下航行器协同定位方法。

背景技术

UUV(Unmanned Underwater Vehicle，以下简称UUV)是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，在海底探测数据和海军反水雷作战方面发挥极其重要的作用。然而，UUV完成上述任务的前提是需要知道自身的精确位置信息。UUV由于一般在水下航行，因此UUV水下定位属于三维问题，算法设计较为困难，但是UUV自身可以安装深度传感器，因此可以精确测量UUV的深度，所以可以将水下三维定位问题转化为二维平面的定位问题。

超短基线定位系统(USBL，Ultra Short Base Line)是一种水下声学定位技术，被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面，主要用于确定ROV、AUV、潜水员、水下其他载体的精确位置。超短基线定位系统由发射换能器、OEM应答器、接收基阵组成。发射换能器和接收基阵安装在船上，应答器固定在水下载体UUV上。发射换能器发出一个声脉冲，应答器收到后，回发声脉冲，接收基阵收到后，测量出X、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出水下装置到基阵的距离R，从而计算得到UUV在平面坐标上的位置和水下探测器的深度。

目前，可以用作UUV水下高精度定位的主要是声学方法。主要有：

(1)短基线的声学定位方法。此方法需要事先将一个信标固定在海底，并测出信标的位置。使用时，将修订后的信标的位置提前置于UUV中，UUV通过实时测量其与信标之间的距离，从而可解算出UUV相对于信标的位置。但是该方法UUV仅能在信标覆盖的有限范围内使用，并且布放信标需要较高的费用且不易维护。该方法观测性能较差，必须UUV机动才能进行定位。

(2)基于多个固定信标的长基线声学定位方法。此方法需要事先将3～4个信标固定在海底，并测出信标的位置。使用时，将修订后的信标位置存储在UUV中，UUV通过实时测量其与各个信标之间的距离，从而解算出UUV相对于各个信标的位置。该方法的不足是，UUV仅能在信标覆盖的有限区域内进行定位，且信标的校准和布放过程繁琐。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于双移动声信标测距辅助的水下航行器协同定位方法，主要用于提高水下航行器的定位精度，以解决水下导航定位难的问题。无人船携带USBL水声定位和通信设备，UUV上安装有航向、航速和航向角速度传感器以及OEM应答器。无人船周期性将自身的位置发送给UUV携带的应答器，USBL同时测得UUV相对于无人船USV的位置。当UUV接收到USV的位置坐标后，利用扩展卡尔曼滤波的方法进行自身定位，同时，UUV将定位结果通过应答器发送给两个USV，使两个USV以UUV作为领航者，随UUV一起编队运行。编队队形保持与UUV之间的距离为设定的安全距离，且两个USV与UUV之间的夹角为90°。本发明利用了无人船携带USBL辅助UUV定位以及编队控制算法，解决了水下航行器UUV定位精度不高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：在将两个安装有USBL的USV1、USV2和安装有OEM应答器的UUV布放入水之前，利用GPS同步时钟信号对UUV、USV1和USV2三者进行时钟同步；