一种基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103674029103674029A(43)申请公布日2014.03.26(21)申请号201310699813.X(22)申请日2013.12.19(71)申请人哈尔滨工程大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号(72)发明人徐博董海波刘杨邱立民单为贺浩易楚伟张广拓白金磊(51)Int.Cl.G01C21/20(2006.01)权权利要求书4页利要求书4页说明书9页说明书9页附图5页附图5页(54)发明名称一种基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法(57)摘要本发明公开了一种基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法，该基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法包括以下步骤：通过根据协同导航系统模型建立系统状态方程、量测方程，利用非线性系统李导数可观测性理论对其进行可观测性分析，根据舰艇尾部螺旋桨产生的尾流建立水声通讯盲区模型，根据艇间安全距离确定安全区域模型，最终得到基于可观测性、尾流通讯盲区、艇间安全距离区域综合考虑情况下的无人艇编队构型设计方案。本发明实现了协同导航系统编队构型优化设计，适用于多艇协同导航情况下的编队构型设计。本发明忽略掉尾流的影响而得到的编队构型编排，对于协同导航系统编队构型设计有很高的实用价值。CN103674029ACN10367429ACN103674029A权利要求书1/4页1.一种基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法，其特征在于，该基于水声通信的多艇协同导航编队构型的方法包括以下步骤：步骤一，建立系统状态方程：在地理坐标系下，设t0时刻跟随艇起始位置为O(0，0，0)，则tk时刻跟随艇自身推算得到的状态量可以表示为：式中，为DVL测量的跟随艇纵向、横向速度；为微机械惯性系统输出的跟随艇航向信息；为深度传感器输出的跟随艇垂向深度信息；Δt为采样时间间隔；步骤二：建立系统的量测方程：为简化算法分析的复杂度，系统观测量取跟随艇相对领航艇距离平方的二分之一，观测方程表示如下：式中，(x1，y1)、(x2，y2)分别为两个领航艇的位置坐标，h1、h2分别为跟随艇与两个领航艇之间的距离；步骤三：可观测性分析：根据非线性系统李导数可观测性判别方法，非线性系统局部可观测当且仅当李导数矩阵G的梯度满秩；首先，定义n维非线性系统量测方程的李导数；得到非线性系统的李导数矩阵G；根据上述非线性系统可观测性李导数判别方法，得到该系统的可观测性矩阵；2CN103674029A权利要求书2/4页通过系统可观测矩阵可以看出，对于二阶系统，要想系统可观测，当且仅当观测矩阵秩为2，由于观测矩阵第3、4行相同，因此只针对矩阵前三行进行系统可观测性的讨论，将观测矩阵进一步变换成极坐标形式，表示如下：式中，p1、p2为跟随艇相对两个领航艇之间的距离，v为跟随艇的速度，α、β、γ分别为相对应的方位角；从系统观测矩阵可以看出，系统可观测性与主跟随艇之间的距离向量p和跟随艇速度向量v有关，对于距离p1、p2可以始终满足为大于0常数，但是对于跟随艇来说，可以分为运动和静止两种状态，就跟随艇不同的运动状态进行系统的可观测性分析；当跟随艇运动v≠0时，当且仅当α、β、γ相等或者相差180°时观测矩阵的秩为1，不满足系统可观测条件，在跟随艇与领航艇航行轨迹在水平面上投影沿一条直线时系统不可观测，其余条件下均可观测，当跟随艇静止(v=0)时，系统可观测矩阵表示为：可以看出，若矩阵奇异则有：tanα=tanβ当且仅当α=β+nπ，n=0,1，2…，即跟随艇相对不同领航艇的距离方向平行时系统不可观测，其它状态情况下均可观测，为了进一步分析系统可观测性好坏与距离向量的关系，下面引入条件数分析理论对系统的可观测度做进一步分析，对观测矩阵做进一步变换：式中：定义跟随艇与领航艇之间的距离向量夹角为θ=α-β，则观测矩阵条件数C可以表示为：式中，σ1，2为观测矩阵的两个奇异值：3CN103674029A权利要求书3/4页选取条件数的倒数C-1进行仿真分析，当系统满足条件：时，C-1最大，也就是系统的可观测性最好；步骤四：基于可观测性分析的编队构型，在设计协同导航系统编队过程中要充分考虑到对系统可观测性的影响；在两条领航艇的间距确定的情况下，在以两条领航艇连线的中点为圆心，距离的一半为半径的圆周上可观测性最好，且跟随艇有两个最优位置，分别在两条领航艇连线中垂线与圆周交汇处；步骤五：考虑舰艇尾流影响的编队构型，为了保证主、跟随艇间通信不受尾流的影响，仅考虑尾流的主要影响区域，称为主尾流区，对无人艇设定一个主尾流区：夹角为θ，腰长为l的等腰三角形，假设艇间的连线即为传播声线，下面以3条艇为例，对尾流影响下的编队构型进行分析；参考水声通信试验中无人艇