一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115930951A(43)申请公布日2023.04.07(21)申请号202211707790.8G01C21/16(2006.01)(22)申请日2022.12.29G01S5/22(2006.01)(66)本国优先权数据202211125253.22022.09.16CN(71)申请人青岛秀山移动测量有限公司地址266590山东省青岛市黄岛区前湾港路579号山东科技大学科技园综合服务楼506室(72)发明人卢秀山李国玉刘以旭王胜利(74)专利代理机构青岛智地领创专利代理有限公司37252专利代理师王鸣鹤(51)Int.Cl.G01C21/00(2006.01)G01C21/20(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图1页(54)发明名称一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法(57)摘要本发明公开了一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，属于船用设备技术领域，用于AUV的隐蔽导航定位，包括采用精确的自适应声线跟踪算法得到精确的声学定位的基础上，在浅水AUV隐蔽导航时，将声学定位结果、惯性导航结果和深度计通过自适应神经网络算法得到准确的高频位置、速度和姿态信息并进行导航；在深水区AUV隐蔽导航时，则是依赖声学定位结果、惯性导航结果、深度计和多普勒测速仪传感器进行数据融合。而声学定位设备是安装在海面按一定构型布设的无人船编队上。本发明在无卫星导航系统辅助下，通过多传感器的组合实现对水下AUV的短期隐蔽导航。CN115930951ACN115930951A权利要求书1/3页1.一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，包括：S1.船底的水声换能器以一定的频率发射声学信号，位于AUV上的应答器接收到信号后反射应答信号到水声换能器；S2.当存在三个及以上的海面观测值时，存在冗余观测，通过最小二乘估计得到最优位置信息；S3.使用声线跟踪算法实现精确定位；S4.使用声线跟踪算法获得声信号最小行程传播时间ti，ti＝F(Xs，SVP，Xr)，其中F为声线跟踪算法的本征声线搜索函数，Xs为(xs，ys，zs)，Xr为(xr，yr，zr)，SVP为声速剖面；ti与实际测得的传播时间Ti做差，得到时间差Δti，Δti＝ti‑Ti，ti乘以声速c得到声信号的传播距离lM，Ti乘以声速c得到实际测得的传播距离lN，lM‑lN＝l；设换能器的位置为(xs，ys，zs)，应答器的位置为(xr，yr，zr)，在应答器概略位置展开，得线性化误差观测方程公式：式中，v表示误差，k、m、n为可计算得到的参数，k＝Δx/ρ0，m＝Δy/ρ0，n＝Δz/ρ0，l＝ρ0‑ρi+ερi，ρ0为概略位置的测距信息，ρi为第i个点的测距信息，ερi为ρi的误差；当存在个N个海面观测值时，误差方程表示为：V＝AX+F则最小二乘解表示为：X＝‑(ATPA)‑1ATPL上述过程实现对声速变化引起的声线弯曲误差的改正；S5.进行AUV的隐蔽导航，根据传感器的精度和适用环境的不同，AUV的导航分为两种情景：浅水导航和深水导航，导航传感器的选择根据深度计信息自由切换。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S1包括：通过测量声信号的传播时间乘以声信号传播速度得到距离：sssssssρ＝ct＝||x‑x||2+ερ，式中ρ表示测距信息，c表示声信号传播的声速，t表示信号s传播时间，s∈{1，2，...，N}，N表示无人船的数量；||x‑x||2为水声换能器和应答器之间的欧氏距离；ερ为等效测距误差。3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S3包括：由射线声学基本理论，第i层的声线轨迹曲率为：式中，θ表示声信号入射角，s表示信号传播路径，z表示深度，α表示掠射角，c为声速；2CN115930951A权利要求书2/3页对于等声速梯度层，声速梯度gi为常数，表示为：ci为第i层水层的声速，zi为第i层水层的深度，θi为第i层水层的声信号入射角，αi为第i层水层的掠射角；声线在层内的实际轨迹为一段圆弧，求出第i层水层的传播时间ti及水平传播距离yi：4.根据权利要求3所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S4包括：声速的确定采用一种自适应方法，声速c的大小根据AUV所处的深度zi决定，将水层分为浅水层和深水层，分别采用不同的声速，则实际的距离L表示为：L＝c(zi)·△ti，其中c(zi)表示声速c是关于zi的函数。5.根据权利要求4所述的一种基于多传感器组合的短期水下AUV隐蔽导航方法，其特征在于，S5包括：浅水导航情景：AUV的位置信息为：P1＝f1(X,S)，