多水下潛器協(xié)同定位概述和作用

1、多水下潛器協(xié)同定位概述和作用1內(nèi)容協(xié)同概念水下定位技術(shù)概述2456國內(nèi)外研究進(jìn)展技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3一、協(xié)同概念1. 水下多AUV協(xié)同定位的重要意義21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，是全世界大規(guī)模開發(fā)利用海洋資源，擴(kuò)大海洋產(chǎn)業(yè)、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)和爭奪海上權(quán)益的新時(shí)期。由于受海洋苛刻的自然條件以及人自身的生理?xiàng)l件所限，人類對(duì)海洋的探索還處于比較膚淺的階段。就當(dāng)前的發(fā)展而言，水下導(dǎo)航問題仍然是無人水下航行器所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。導(dǎo)航系統(tǒng)必須提供遠(yuǎn)距離及長時(shí)間范圍內(nèi)的精確定位、速度及姿態(tài)信息，受體積、質(zhì)量、能源的閑置及水聲介質(zhì)的特殊性、隱蔽性等因素的影響，實(shí)現(xiàn)航行器的精

2、確導(dǎo)航是一項(xiàng)艱難的任務(wù)。水下高精度導(dǎo)航是無人航行器完成任務(wù)的關(guān)鍵，尤其對(duì)多水下航行器協(xié)作系統(tǒng)顯得至關(guān)重要，這對(duì)于多航行器系統(tǒng)的編隊(duì)保持與控制，相互間的高效協(xié)同作業(yè)起著決定性作用。一、協(xié)同概念利用多自主水下航行器（AUV）協(xié)同作業(yè)不僅能夠承擔(dān)單體航行器難以勝任的諸多復(fù)雜任務(wù)，如大面積的海洋環(huán)境調(diào)查、海底地形地貌勘探、失事船只搜索以及軍事上的情報(bào)收集、水雷探測、沿岸反潛、中繼通信等，而且具有高效率、高可靠性、高質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，示意圖如圖1所示。進(jìn)行多航行器協(xié)同作業(yè)首先需要確定每個(gè)航行器的相對(duì)位置關(guān)系，即解決多航行器協(xié)同導(dǎo)航定位問題。圖1 水下AUV協(xié)同探測、掃雷示意圖一、協(xié)同概念2

3、. 水下多AUV協(xié)同定位問題的界定及其定義2.1 協(xié)同的概念協(xié)同原本指的是一種物理和化學(xué)現(xiàn)象，也稱為協(xié)同作用，是指兩種或多種組分一起加入，混合在一起，所產(chǎn)生的作用大于各種組分單獨(dú)應(yīng)用時(shí)作用的總和。 而其中對(duì)混合物產(chǎn)生這種效果的物質(zhì)稱為增效劑。赫爾曼哈肯(德國物理學(xué)家)在上世紀(jì)70年代第一次提出了協(xié)同的定義，并出版了相關(guān)書籍協(xié)同學(xué)導(dǎo)論等，對(duì)協(xié)同理論進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述和分析，指出整體環(huán)境中存在的若干子系統(tǒng)，它們之間有著相互作用、相互影響的聯(lián)系，并非是獨(dú)立存在的。在社會(huì)中類似的現(xiàn)象比比皆是，比如企業(yè)中的各個(gè)單位既會(huì)相互干擾和制約，又會(huì)相互配合和協(xié)作等。 可以將一個(gè)企業(yè)看成協(xié)同系統(tǒng)，利用協(xié)同操作來實(shí)現(xiàn)資

4、源的有效利用。 這樣的企業(yè)整體效益大于獨(dú)立作用的總和的一部分，常常被描述為“2+2=5”或“1+12”。一、協(xié)同概念(2)多AUV協(xié)同導(dǎo)航概念的提出(2)多AUV協(xié)同導(dǎo)航概念的提出 多AUV協(xié)同導(dǎo)航概念的提出由于AUV導(dǎo)航系統(tǒng)必須在長時(shí)間跨度、遠(yuǎn)距離范圍提供精確的位置信息、速度信息和姿態(tài)信息，同時(shí)還必須考慮體積、質(zhì)量、能量約束和特殊水下環(huán)境、隱蔽性和其他因素，使得實(shí)現(xiàn)AUV的精確導(dǎo)航定位成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。AUV導(dǎo)航主要可以分為兩類：基于自身敏感器件信號(hào)的自主導(dǎo)航與基于外部信號(hào)的非自主導(dǎo)航。按照工作方式，可以分為慣性導(dǎo)航、地磁輔助導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航、仿生學(xué)導(dǎo)航、

5、重力場輔助導(dǎo)航等導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)使用區(qū)域不同，又可以分為3層:近海面區(qū)域(水深 300m)、中間層區(qū)域(300m 水深2000m)、海底區(qū)域(距海底 100m)，如圖2所示。一、協(xié)同概念適用區(qū)域名稱特點(diǎn)導(dǎo)航精度近海面水域(水深300m)無線電導(dǎo)航將導(dǎo)航信息通過無線電波發(fā)送給AUV，以測定航位和引導(dǎo)航行較高衛(wèi)星導(dǎo)航AUV接收衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，進(jìn)行導(dǎo)航，精度高，實(shí)時(shí)性好高中間層水域(300m水深2000m)地磁場輔助導(dǎo)航將地磁基準(zhǔn)圖網(wǎng)格化后存儲(chǔ)于數(shù)字計(jì)算機(jī)中，由磁力儀實(shí)時(shí)測得地磁數(shù)據(jù)序列，以進(jìn)行匹配導(dǎo)航，干擾信息大一般重力場輔助導(dǎo)航與地磁場輔助導(dǎo)航類似，利用重力場的物理特性來輔助導(dǎo)航，干擾信息大一般慣

6、性導(dǎo)航利用慣性敏感器件進(jìn)行航位推算，誤差隨時(shí)間積累較高協(xié)同導(dǎo)航多AUV間測距與通信，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息共享與互相修正，提高AUV編隊(duì)導(dǎo)航精度高海地區(qū)域(距海底100m)海底地形匹配導(dǎo)航將測得海底地形與存儲(chǔ)的地形圖進(jìn)行比較，來決定AUV自身的位置較高一、協(xié)同概念2.3 多AUV協(xié)同導(dǎo)航特殊性討論和其他平臺(tái)相比，多AUV的協(xié)同導(dǎo)航在運(yùn)動(dòng)方式、工作環(huán)境、設(shè)備配置、工作時(shí)間與負(fù)載等方面都有其特殊性：AUV需執(zhí)行水下巡邏、探測甚至進(jìn)攻等任務(wù)，AUV在水中同時(shí)受到重力、浮力與水的阻力等同時(shí)作用，推進(jìn)動(dòng)力參數(shù)、外測速度參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律和地面上的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人等平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)有著本質(zhì)的區(qū)別。水下惡劣復(fù)雜的工作條件決

7、定了AUV必須具備體積小、重量輕、低功耗的要求，還要考慮避碰等問題，同時(shí)水下環(huán)境的特殊性，如未知的洋流、復(fù)雜的水文、地形環(huán)境等，也給導(dǎo)航帶來很多的瓶頸。和其他多平臺(tái)協(xié)同導(dǎo)航相比，水下環(huán)境決定了AUV只能以慣性導(dǎo)航設(shè)備、DVL和水聲通信與測距裝置為核心傳感器，使用基于相對(duì)位置測量的濾波模型，目前慣性導(dǎo)航短航程條件下定位精度高，但誤差會(huì)隨時(shí)間不斷累積，使導(dǎo)航精度降低；聲學(xué)測距精度較高，但需在載體上安裝相應(yīng)水聽器，并且和無線通信相比，必然存在通信時(shí)間延遲、傳輸距離受限等問題。一、協(xié)同概念由于上述問題的存在，AUV協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)精度的提高需要從多方面進(jìn)行考慮。1. 從AUV內(nèi)部影響因素方面考慮，需要精確

8、建立協(xié)同導(dǎo)航模型，同時(shí)選用恰當(dāng)?shù)膮f(xié)同導(dǎo)航算法。2. 從系統(tǒng)中各AUV的艇間影響因素方面考慮，需對(duì)協(xié)同導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)中的誤差因素，如通信延遲、洋流等進(jìn)行補(bǔ)償。3. 從整個(gè)多AUV協(xié)同系統(tǒng)的方面進(jìn)行考慮，需對(duì)協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)中的編隊(duì)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1.2 多AUV協(xié)同導(dǎo)航精度的影響因素圖1.2 多AUV協(xié)同導(dǎo)航精度的影響因素圖1.2 多AUV協(xié)同導(dǎo)航精度的影響因素圖3 多AUV協(xié)同導(dǎo)航精度的影響因素一、協(xié)同概念水下高精度導(dǎo)航對(duì)多AUV協(xié)作系統(tǒng)至關(guān)重要，對(duì)于多AUV系統(tǒng)編隊(duì)的保持與控制，相互間的高效協(xié)同作業(yè)起著決定性作用。由于水介質(zhì)的特殊性，AUV無法有效獲取高精度的GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位；傳統(tǒng)聲學(xué)導(dǎo)

9、航方法，如長基線、短基線和超短基線等，雖然應(yīng)用廣泛，但是也存在諸多的不足。隨著水聲通信技術(shù)的進(jìn)步，基于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的多水下航行器協(xié)同定位技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注和發(fā)展。不同航行器通過水聲通信實(shí)現(xiàn)信息共享，通過水聲測距實(shí)現(xiàn)相互觀測，進(jìn)而通過信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位誤差的協(xié)同校正。利用多水下航行器協(xié)同定位，不僅可以提高系統(tǒng)整體的導(dǎo)航性能，而且具有成本低、系統(tǒng)魯棒性好的特點(diǎn)，可以極大地增強(qiáng)多水下航行器系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)能力，具有重要的研究價(jià)值。一、協(xié)同概念利用多個(gè)航行器相互協(xié)作完成指定的導(dǎo)航任務(wù)，平臺(tái)之間存在直接相對(duì)觀測或者間接相對(duì)觀測，通過信息交換實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間導(dǎo)航資源的共享，從而獲得比各平臺(tái)獨(dú)自導(dǎo)航更優(yōu)

10、的性能，這種導(dǎo)航方式稱為“協(xié)同導(dǎo)航”。水下多航行器協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航形式，首先從整體的多航行器協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)行考慮，需對(duì)協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)中的編隊(duì)構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后利用各航行器攜帶的導(dǎo)航傳感器，結(jié)合水聲通信技術(shù)通過水聲測距及通信一體化，共享傳感器的量測信息，最后通過對(duì)航行器間的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行融合提高導(dǎo)航與定位精度。一、協(xié)同概念多航行器協(xié)同導(dǎo)航定位，具有兩種形式：（1）并行式，即系統(tǒng)中每個(gè)航行器的功能和結(jié)構(gòu)相同，使用各自的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，通過水聲通信，獲取其他航行器的位置信息；（2）主從式，也稱為領(lǐng)航式，即系統(tǒng)中少量領(lǐng)航艇裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備，大量跟隨艇裝備低精度導(dǎo)航設(shè)備，跟隨艇通過獲得與

11、領(lǐng)航艇的位置關(guān)系提高自身導(dǎo)航精度，并通過水聲通信確定自身在系統(tǒng)中的位置。并行式的結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)AUV都裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備，成本將增加很多倍，而主從式兼顧了導(dǎo)航精度和成本，成為多AUV協(xié)同定位導(dǎo)航研究的主要方向。領(lǐng)航AUV裝備高精度慣性導(dǎo)航設(shè)備、多普勒速度儀、差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)、水聲通信設(shè)備等，導(dǎo)航系統(tǒng)以慣導(dǎo)設(shè)備為主，初始位置通過DGPS獲得，以多普勒速度儀測量的絕對(duì)速度作為慣導(dǎo)外部輸入，進(jìn)一步提高了其精度。跟隨AUV裝備低精度航位推算導(dǎo)航設(shè)備、GPS、水聲通信設(shè)備等。跟隨AUV在執(zhí)行任務(wù)前，均通過GPS進(jìn)行時(shí)間校正，以保證時(shí)間同步。一、協(xié)同概念在協(xié)同導(dǎo)航定位過程中，領(lǐng)航AUV按照預(yù)

12、先約定的時(shí)間間隔向外發(fā)射固定頻率的聲信號(hào)脈沖，間隔一段時(shí)間后，通過水聲通信裝置廣播領(lǐng)航AUV自身位置。跟隨AUV接收到聲信號(hào)脈沖和領(lǐng)航AUV位置后，由聲信號(hào)脈沖解算出相對(duì)距離，將位置和距離信息同自身航推結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而達(dá)到協(xié)同定位的目的，協(xié)同導(dǎo)航定位的關(guān)鍵是相對(duì)距離的確定。 圖4 協(xié)同導(dǎo)航定位原理圖一、協(xié)同概念“協(xié)同導(dǎo)航”具有如下優(yōu)勢：（1）可通過系統(tǒng)中其它平臺(tái)的高精度導(dǎo)航信息，提高低精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)航精度；（2）可以利用部分平臺(tái)的有界定位誤差的導(dǎo)航能力，通過信息共享使各平臺(tái)都具有誤差有界的定位能力；（3）當(dāng)某平臺(tái)由于傳感器或環(huán)境因素喪失獨(dú)立導(dǎo)航能力時(shí)，協(xié)同導(dǎo)航可以在一定程度上恢復(fù)其導(dǎo)航

13、能力?！皡f(xié)同導(dǎo)航”相對(duì)“各自為戰(zhàn)”的導(dǎo)航方式，能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)間的導(dǎo)航資源共享，具有比獨(dú)自導(dǎo)航更優(yōu)的性能。協(xié)同導(dǎo)航成為未來五十年解決水下中間層區(qū)域多AUV高精度導(dǎo)航的重要方法。1內(nèi)容概念與內(nèi)涵水下定位技術(shù)概述2456國內(nèi)外研究進(jìn)展技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內(nèi)容7二、國內(nèi)外研究進(jìn)展1. 國外/內(nèi)水下AUV的發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)UV作為一種無人的自主載體，早在1957年由華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的斯坦墨菲，鮑勃弗朗索瓦設(shè)計(jì)了第一艘AUV。目前世界上比較出名的AUV的研究機(jī)構(gòu)有：(1)英國阿伯丁大學(xué)(Aberdeen University)，海洋實(shí)驗(yàn)室，其代表產(chǎn)品有AUDOS

14、。(2)法國海外部門，其代表產(chǎn)品有ALIVE (AUV)，SWIMMER (AUV/ROV)。(3)日本KDD的海洋實(shí)驗(yàn)室，其代表產(chǎn)品有Venus，Cable finder，Aqua Explorer 2，Aqua Explorer 1000。(4)俄羅斯科學(xué)院海洋技術(shù)問題研究所，其代表產(chǎn)品有SAUV。(5)加拿大溫哥華國際海底工程研究所，其代表產(chǎn)品有ARCS，Dolphin，Theseus(世界上最大的AUV)，北極探險(xiǎn)AUV(Arctic Explorer AUV)，半潛式AUV(Semi-Submersible AUVs)，拖魚式AUV，Aurora(該AUV設(shè)計(jì)了一個(gè)大的主動(dòng)控制主翼來

15、實(shí)現(xiàn)深度控制，其速度能達(dá)到12節(jié))。二、國內(nèi)外研究進(jìn)展(6)美國自主水下系統(tǒng)研究所(Autonomous Undersea Systems Institute，AUSI)海洋系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室，其代表產(chǎn)品為：藍(lán)色海洋監(jiān)測AUV（如圖4所示），大排量水下無人機(jī)器人及其他水下機(jī)器人。(7)美國藍(lán)鰭機(jī)器人公司(Bluefin Robotics Corp)，其代表產(chǎn)品有藍(lán)鰭金槍魚-21(如圖5所示)，藍(lán)鰭金槍魚12D，12S，9M，9，SandShark，雙便攜式AUV(HAUV)。圖5 藍(lán)色海洋監(jiān)測型AUV圖6 藍(lán)色海洋監(jiān)測型AUV二、國內(nèi)外研究進(jìn)展我國關(guān)于AUV的研制工作開始較晚，但是仍然取得了一定的

16、成果，目前國內(nèi)的主要研究單位有：沈陽自動(dòng)化所，哈爾濱工程大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)等。以沈陽自動(dòng)化所為代表，其主要產(chǎn)品有探索者，CR-01，CR-02，潛龍一號(hào)。(1)探索者，作為我國第一臺(tái)無纜自治水下機(jī)器人，如圖7所示，其成功研制標(biāo)志著我國關(guān)于水下機(jī)器人的研究技術(shù)逐步向深海發(fā)展。(2)“CR-01”，作為一種6000米自主水下機(jī)器人，如圖8所示，能夠?qū)弦酝夂Ｓ蜻M(jìn)行探測。這標(biāo)志著我國關(guān)于AUV的研制水平已經(jīng)跨入了世界領(lǐng)先行列。圖7 探索者AUV圖8 CR-01水下自主潛器二、國內(nèi)外研究進(jìn)展(3)“CR-02”，作為一種改進(jìn)的6000米自治水下機(jī)器人，如圖9所示，不僅具有“CR-01”的功能，而且具

17、有更好的機(jī)動(dòng)性能。其主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括水下攝影、照相、深?？疾?、海底地勢及剖面測量、水文物理測量、深海多金屬結(jié)核斟查、深海鈷結(jié)殼調(diào)查等。(4)潛龍一號(hào)，如圖10所示。作為我國自主研發(fā)的實(shí)用化海洋裝備，其應(yīng)用領(lǐng)域主要為進(jìn)行深海資源勘探。潛龍一號(hào)上配備的淺地層剖面儀等探測設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海底微地形地貌的精細(xì)探測，進(jìn)行底質(zhì)判斷，測量海底水紋參數(shù)，測定海底多金屬結(jié)核豐度等任務(wù)。潛龍一號(hào)最大的工作深度為6000m，巡航速度2節(jié)，最大續(xù)航能力24h。圖9 CR-02水下自主潛器圖10 潛龍一號(hào)AUV二、國內(nèi)外研究進(jìn)展2. 水下多AUV協(xié)作技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀近些年來，具有代表性的多AUV協(xié)作系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)或項(xiàng)目列舉如

18、下：（1）歐盟的“GREX”項(xiàng)目歐盟于2006年組織了德國、意大利、葡萄牙、挪威、法國等國家聯(lián)合開展了主題為協(xié)作無人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制的歐盟GREX項(xiàng)目，研究核心是解決多AUV的協(xié)同導(dǎo)航及編隊(duì)控制、通信等問題。Grex是拉丁語，意為群體，組隊(duì)的意思。該項(xiàng)目組對(duì)外公開的主要任務(wù)是基于多個(gè)異構(gòu)無人水下航行器的協(xié)作完成海底地圖測繪，始于2006年，結(jié)題于2009年。2008年夏季和2009年11月的二次海試成功完成了多AUV協(xié)作下的海洋環(huán)境繪圖任務(wù)，驗(yàn)證了可以通過水聲通信實(shí)現(xiàn)多AUV協(xié)同導(dǎo)航和控制。二、國內(nèi)外研究進(jìn)展（2）美國自主海洋采樣網(wǎng)絡(luò) 美國的自主海洋采樣網(wǎng)絡(luò)(Autonomous OceanS

19、ampling Network AOSN)項(xiàng)目是多AUV系統(tǒng)用于科學(xué)考察的最典型案例。AOSN I項(xiàng)目，是最有影響的多AUV系統(tǒng)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，由美國麻省理工學(xué)院(MIT)海洋實(shí)驗(yàn)室、伍茲霍爾海洋研究所、華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室等多家研究機(jī)構(gòu)共同參與完成。AOSN II項(xiàng)目，由美國蒙特利灣海洋研究所(Monterey Bay Aquarium Research InstituteMBARI)領(lǐng)導(dǎo)，美國海洋研究局資助。該項(xiàng)目的目的是對(duì)一個(gè)大范圍的海洋空間進(jìn)行長時(shí)間的數(shù)據(jù)收集，預(yù)測海洋的物理特性，利用多個(gè)AUV搭載不同類型的傳感器，在同一時(shí)刻測量不同區(qū)域或不同深度下的海洋參數(shù)，并采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?/p>

20、使得網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)AUV成員能夠在最重要區(qū)域進(jìn)行信息收集。圖11 蒙特利灣AOSN II試驗(yàn)示意圖1內(nèi)容概念與內(nèi)涵水下定位技術(shù)概述2456國內(nèi)外研究進(jìn)展技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內(nèi)容7三、水下定位技術(shù)概述1. 傳統(tǒng)水下定位技術(shù)及發(fā)展概況按照誤差傳播方式的不同，傳統(tǒng)水下定位技術(shù)大致可以分為兩類，一種是定位誤差隨時(shí)間累積的，如INS、航位推算(Dead Reckoning, DR)系統(tǒng)等；另一種是定位誤差有界，不隨時(shí)間累積的，如聲學(xué)導(dǎo)航等。1.1 INS/DR方法INS 工作方式獨(dú)立自主、抗干擾性好、導(dǎo)航信息全面。導(dǎo)航誤差隨時(shí)間累積，昂貴，能耗高、體積大，并不

21、適用于水下航行器，尤其是微小型水下航行器的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。DR 簡單、有效、成本低廉。已知初始位置的情況下，利用簡單的姿態(tài)傳感器提供的載體航向信息以及多普勒計(jì)程儀等速度傳感器提供的載體速度信息對(duì)載體的位置信息進(jìn)行遞推計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下航行器的導(dǎo)航定位。但導(dǎo)航效果同樣取決于傳感器的量測精度以及相互之間的坐標(biāo)系匹配精度。航位推算誤差的時(shí)間累積性比較明顯，對(duì)于水下長航時(shí)工作要求的情況，往往需要輔以其它有界參考信息進(jìn)行航位推算誤差的及時(shí)校正。通過水下航行器定時(shí)上浮接收GPS信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航誤差的校正，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中往往是不現(xiàn)實(shí)的，尤其對(duì)于深水工作狀態(tài)下的水下航行器來說。三、水下定位技術(shù)概述1.

22、2 其它有界誤差定位方法 水下有界定位誤差的實(shí)現(xiàn)，通常離不開外部傳感器絕對(duì)參考信息的輔助。比較典型的水下有界誤差定位方法是聲學(xué)基線定位方法，聲學(xué)基線定位系統(tǒng)的出現(xiàn)為水下航行器導(dǎo)航定位提供了一種新的選擇。基元之間的連線稱為基線，根據(jù)基線長度的不同通常可以分為LBL、SLB和USBL 。三、水下定位技術(shù)概述原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)長基線LBL依靠布設(shè)在海底的已知精確位置的至少三個(gè)聲學(xué)基元組成的聲學(xué)基陣實(shí)現(xiàn)對(duì)作用范圍內(nèi)的目標(biāo)定位。定位原理是通過測量目標(biāo)與各個(gè)基元間的斜距，采用球面交匯的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位。定位精度高、系統(tǒng)可靠性好系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、聲基線陣列龐大、成本昂貴以及由于大量水下或海底基線陣的布放、校準(zhǔn)、維護(hù)

23、、回收過程復(fù)雜短基線SBL定位原理與LBL系統(tǒng)相同，區(qū)別僅在于SBL系統(tǒng)的基元是布設(shè)在船底或船舷上方便得到多個(gè)不同的斜距觀測值，可以通過母船的移動(dòng)極大提高系統(tǒng)的作用范圍目標(biāo)位置的解算也會(huì)受到船體姿態(tài)的影響，還需要輔以外部傳感器獲取船體實(shí)時(shí)的位置、姿態(tài)和航向信息超短基線USBL所有的收發(fā)器基元按照精確的相對(duì)位置關(guān)系集成安裝在一個(gè)收發(fā)器中構(gòu)成一個(gè)聲學(xué)基陣，基于目標(biāo)到每個(gè)基元的相位差進(jìn)行目標(biāo)位置解算安裝使用方便、成本低、對(duì)載體的體積尺寸要求不高系統(tǒng)的定位精度受外部姿態(tài)校準(zhǔn)精度影響較大為進(jìn)一步降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，繼聲學(xué)基線定位系統(tǒng)之后，又發(fā)展了基于單水面固定信標(biāo)的定位方法。相比長基線系統(tǒng)，單信標(biāo)定位系統(tǒng)

24、只需要布設(shè)一個(gè)水面信標(biāo)，復(fù)雜度降低，成本需求大大減少。如果采用母船攜帶信標(biāo)工作，則可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的便利性。三、水下定位技術(shù)概述2. 水下協(xié)同定位技術(shù)采用協(xié)同定位不僅可以實(shí)現(xiàn)水下航行器的高精度導(dǎo)航，為多水下航行器的協(xié)作應(yīng)用提供重要技術(shù)保障，而且具有成本低、實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性好以及不受區(qū)域限制等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的研究價(jià)值。水聲通信技術(shù)的進(jìn)步使得諸如上述單信標(biāo)定位的參考信標(biāo)位置信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳遞，水下航行器通過水聲通信Modem獲取參考信標(biāo)的位置信息以及相對(duì)信標(biāo)的水聲距離量測信息，進(jìn)而通過信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)自身位置誤差的協(xié)同校正。由于不再限制參考信標(biāo)位置狀態(tài)的固定不變，同時(shí)又類似于長基線系統(tǒng)的定位原理，

25、因此也稱這種基于水聲通信技術(shù)的水下定位方法為移動(dòng)長基線(MLBL)定位。隨著水下航行器技術(shù)的發(fā)展以及某些特殊的使命任務(wù)需求，進(jìn)一步增強(qiáng)水下航行器的導(dǎo)航自主性和隱蔽性，摒棄水面ASC，轉(zhuǎn)而完全利用水下航行器進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航正逐漸成為當(dāng)前水下導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通常情況下，在多水下航行器協(xié)作系統(tǒng)中，利用一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)航行器配備高精度的導(dǎo)航設(shè)備，或者通過航行器定期上浮獲取準(zhǔn)確的GPS位置信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其它航行器定位誤差的協(xié)同校正。三、水下定位技術(shù)概述3. 系統(tǒng)可觀測性問題從水下協(xié)同定位技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，基于單領(lǐng)航方案的協(xié)同定位無疑更具有吸引力，正受到越來越多的關(guān)注和發(fā)展。然而，由直觀的幾何定位法可以得

26、出，單獨(dú)的一個(gè)距離觀測信息顯然無法給出一個(gè)確切的位置參考，也就是說采用單領(lǐng)航方案的協(xié)同定位系統(tǒng)可觀測性是比較弱的。系統(tǒng)可觀測是實(shí)現(xiàn)水下航行器協(xié)同定位的前提條件，尤其對(duì)于單領(lǐng)航方案來說至關(guān)重要。如果所描述的系統(tǒng)是可觀測的，則載體自身定位誤差就可以通過融合主艇相對(duì)精確的位置信息以及二者間距離量測信息進(jìn)行協(xié)同校正；反之，則不論采用什么樣的濾波算法都無法實(shí)現(xiàn)位置狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)。三、水下定位技術(shù)概述4. 技術(shù)類別及特點(diǎn)分析根據(jù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法的不同，協(xié)同定位技術(shù)大致可以分為如下幾類：(1)根據(jù)協(xié)同配置方案的不同可分為主從式和并行式兩種。并行式，即系統(tǒng)中每個(gè)航行器的功能和結(jié)構(gòu)相同，使用各自的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定

27、位，通過水聲通信，獲得伙伴航行器的位置信息。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中每個(gè)航行器互為參考，彼此校正。主從式，即系統(tǒng)中少量主航行器裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備作為主參考節(jié)點(diǎn)，為了降低成本其他從航行器裝備低精度導(dǎo)航設(shè)備，從航行器通過獲得與主航行器的位置關(guān)系提高自身導(dǎo)航精度，并通過水聲通信確定自身在系統(tǒng)中的位置。相比主從式結(jié)構(gòu)，并行式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、配置更靈活、魯棒性更好、更容易執(zhí)行一些高危險(xiǎn)性的，航行器易損失的任務(wù)。但每個(gè)航行器都裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備，成本將增加很多倍，而主從式兼顧了導(dǎo)航精度和成本，成為多航行器協(xié)同定位導(dǎo)航研究的主要方向。三、水下定位技術(shù)概述(2)根據(jù)聲學(xué)測距方式的不同可以分為基于雙程測距和單程測距兩種。

28、雙程測距(Two Way Travel- Time,TWTT)不需要保持時(shí)鐘同步性，實(shí)現(xiàn)簡單，是目前實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位應(yīng)用最為普遍的一種距離觀測手段。但是，由于TWTT每次通信只能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的距離量測，測距效率低，對(duì)于多水下航行器協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)來說具有一定的局限性。單程測距(One Way Travel-Time , OWTT)模式的最大優(yōu)勢在于只要參考節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送一測距脈沖信號(hào)，其它任一節(jié)點(diǎn)只要接收到該測距信號(hào)即可計(jì)算得到相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的距離信息，也就是說，OWTT可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻一對(duì)多的距離量測。圖14 雙程測距模式圖15 單程測距模式三、水下定位技術(shù)概述水聲距離觀測是目前實(shí)現(xiàn)水下航行器協(xié)同定位唯一

29、有效的觀測手段，測距精度的好壞、測距效率的高低直接影響多水下航行器的協(xié)同定位效果。對(duì)于多水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)來說，采用不同的水聲測距模式意味著完全不同的技術(shù)方案特點(diǎn)。TWTT不需要保持時(shí)鐘同步性，實(shí)現(xiàn)簡單，是目前實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位應(yīng)用最為普遍的一種距離觀測手段。但是，由于TWTT每次通信只能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的距離量測，測距效率低，對(duì)于多水下航行器協(xié)作應(yīng)用系統(tǒng)來說具有一定的局限性。因此，雙程測距僅僅適用于航行器數(shù)目比較少，或者航行器定位精度相對(duì)較高，對(duì)系統(tǒng)的協(xié)同校正頻率要求不高的系統(tǒng)中。相較于TWTT測距模式，OWTT測距模式的最大優(yōu)勢在于只要參考節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送一測距脈沖信號(hào)，其它任一節(jié)點(diǎn)只要接收到該測距信

30、號(hào)即可計(jì)算得到相對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的距離信息，也就是說，OWTT可以實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻一對(duì)多的距離量測。基于OWTT測距模式的協(xié)同定位方案具有更高的協(xié)同更新頻率，且系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、協(xié)同定位算法簡單，尤其適用于航行器數(shù)目較多的協(xié)同定位系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)協(xié)同定位最理想的測距模式。1內(nèi)容概念與內(nèi)涵水下定位技術(shù)概述2456國內(nèi)外研究進(jìn)展技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3研究內(nèi)容7四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析1. 水下多AUV協(xié)同定位通信方案實(shí)際應(yīng)用過程中，出于系統(tǒng)任務(wù)需求及可行性考量，通常利用領(lǐng)航艇的航路機(jī)動(dòng)來滿足系統(tǒng)的可觀測性要求，只要主從航行器不沿一條直線軌跡航行系統(tǒng)即可觀測。以水聲雙程測距為例

31、：在整個(gè)AUV系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過位于不同方位的兩個(gè)主AUV對(duì)從AUV進(jìn)行交替協(xié)同，可以更有效地實(shí)現(xiàn)AUV航位推算誤差的協(xié)同校正。四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析2. 水下多AUV協(xié)同定位原理實(shí)現(xiàn)AUV間的協(xié)同定位，首先需要構(gòu)建可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，保證相互間有效的信息傳遞。由于水介質(zhì)的特殊性，水聲通信是實(shí)現(xiàn)水下AUV協(xié)同定位的重要通信手段，同時(shí)，基于水聲通信的水下聲學(xué)測距技術(shù)則是目前實(shí)現(xiàn)水下AUV協(xié)同定位最為有效、可靠的觀測手段。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)配備低精度導(dǎo)航裝置的AUV利用水聲通信設(shè)備獲取高精度AUV的位置信息以及二者間相對(duì)距離參考信息后，即可利用該參考信息實(shí)現(xiàn)自身位置誤差的協(xié)同校正，實(shí)現(xiàn)AUV間的協(xié)

32、同定位 基于距離觀測的水下AUV協(xié)同定位示意圖四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析 單艇航位推算的示意圖 協(xié)同定位的示意圖四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析區(qū)別于傳統(tǒng)的基于無線電網(wǎng)絡(luò)的陸上(或空中)機(jī)器人協(xié)同定位，水下航行器協(xié)同定位主要依靠水下聲學(xué)通信實(shí)現(xiàn)相互間的距離量測及參考信息的傳遞。鑒于復(fù)雜的水下聲學(xué)通信環(huán)境以及獨(dú)特的水聲通信技術(shù)特性，實(shí)現(xiàn)水下航行器協(xié)同定位具有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）. 系統(tǒng)可觀測性弱原因主要有兩方面：一是單純依靠水聲距離觀測的觀測信息量不足，加之水下航行器機(jī)動(dòng)性較差，相比陸地(或空中)機(jī)器人系統(tǒng)來說，通過保持相對(duì)機(jī)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)來提高系統(tǒng)的可觀測作用不是太明顯；二是由于

33、水聲信號(hào)的易阻塞性。四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析2）. 協(xié)同更新頻率低協(xié)同更新頻率的高低直接關(guān)系到協(xié)同定位狀態(tài)估計(jì)效果的好壞，能夠在越短的時(shí)間間隔內(nèi)獲得有效的相對(duì)距離觀測信息，就可以越及時(shí)地實(shí)現(xiàn)自身位置誤差的協(xié)同校正，進(jìn)而提高系統(tǒng)的協(xié)同定位效果。加之水聲信號(hào)傳輸速率較慢，勢必決定了系統(tǒng)較低的協(xié)同更新頻率。3）. 系統(tǒng)噪聲復(fù)雜協(xié)同定位問題最終歸結(jié)為狀態(tài)估計(jì)問題，即如何根據(jù)相互間的水聲距離觀測信息實(shí)現(xiàn)自身位置狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)。對(duì)于水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)來說，由于復(fù)雜的工作環(huán)境以及傳感器性能參數(shù)的限制，不可避免存在系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計(jì)特性不準(zhǔn)確或者噪聲時(shí)變性問題進(jìn)而影響協(xié)同定位系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)性能。必須保證狀態(tài)估計(jì)算

34、法對(duì)于不確定的系統(tǒng)噪聲良好的自適應(yīng)性以及對(duì)于異常觀測信息良好的魯棒性。四、技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析4）. 觀測實(shí)時(shí)性差實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的觀測信息是保證良好狀態(tài)估計(jì)性能的重要因素。然而，由于水聲信號(hào)的低速率傳輸特性以及聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理過程的時(shí)間損耗，無疑會(huì)導(dǎo)致觀測信息的傳輸時(shí)延，進(jìn)而影響協(xié)同定位的狀態(tài)估計(jì)效果，尤其對(duì)于長距離、大機(jī)動(dòng)運(yùn)行下的協(xié)同定位系統(tǒng)影響較大。為此，針對(duì)系統(tǒng)的觀測時(shí)延特性，設(shè)計(jì)合理的時(shí)延補(bǔ)償方案，對(duì)于保證系統(tǒng)的協(xié)同定位效果具有重要現(xiàn)實(shí)意義。從現(xiàn)有的研究進(jìn)展來看，上述問題依然是制約水下航行器協(xié)同定位性能的重要因素。要實(shí)現(xiàn)水下航行器高性能的協(xié)同定位，仍需進(jìn)一步尋求更為穩(wěn)定、可靠、有效的協(xié)同定位算

35、法。1內(nèi)容概念與內(nèi)涵水下定位技術(shù)概述2456國內(nèi)外研究進(jìn)展技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)分析協(xié)同定位中的濾波算法水聲通信特性與測距誤差3五、協(xié)同定位中的濾波算法1. 卡爾曼濾波(Kalman Filter，KF)算法在1960年由卡爾曼(R.E.Kalman)提出，是一種線性最小方差估計(jì)?？柭鼮V波采用遞推算法，將狀態(tài)空間法在時(shí)域空間內(nèi)與濾波估計(jì)結(jié)合，以系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的均方誤差最小為最優(yōu)衡量標(biāo)準(zhǔn)，建立被估計(jì)信號(hào)與噪聲的數(shù)學(xué)模型，利用上一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)值對(duì)當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并利用當(dāng)前時(shí)刻的外界觀測量對(duì)預(yù)測值進(jìn)行修正。2. 擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)卡爾曼濾波

36、是在假設(shè)物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為線性的前提下對(duì)問題進(jìn)行研究。但是，多AUV協(xié)同導(dǎo)航所處理的是非線性模型，普通卡爾曼濾波無法適用。EKF正是為了解決卡爾曼濾波在非線性系統(tǒng)中的應(yīng)用而產(chǎn)生的，它通過對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，對(duì)展開式中的高階項(xiàng)進(jìn)行線性截?cái)?，只保留一階項(xiàng)，從而將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性。五、協(xié)同定位中的濾波算法EKF是最早使用的在卡爾曼濾波基礎(chǔ)上發(fā)展而來的非線性濾波算法，其算法思想體系成熟，實(shí)現(xiàn)方法深入完善，計(jì)算量及復(fù)雜程度不高，在工程上得到了極其廣泛的應(yīng)用，如飛機(jī)和艦船上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星姿態(tài)估計(jì)及其他很多工業(yè)控制系統(tǒng)當(dāng)中。但是，EKF通過對(duì)非線性函數(shù)的Taylor展開

37、式進(jìn)行一階線性化截?cái)?，同時(shí)忽略高階項(xiàng)而實(shí)現(xiàn)非線性算法，這必然會(huì)造成以下不足。當(dāng)系統(tǒng)具有較高非線性程度，忽略非線性函數(shù)Taylor展開式中的高階項(xiàng)會(huì)造成較大的截?cái)嗾`差，使濾波精度降低，甚至導(dǎo)致濾波發(fā)散。但是，系統(tǒng)是否滿足近線性取決于變換的形式、當(dāng)前狀態(tài)估計(jì)和協(xié)方差的數(shù)值大小等諸多因素，較為難以判斷。EKF算法涉及非線性函數(shù)雅克比矩陣的求解，而雅科比矩陣的計(jì)算繁瑣，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，非線性函數(shù)的雅克比矩陣求導(dǎo)也不易在實(shí)際的工程應(yīng)用中進(jìn)行。EKF計(jì)算中涉及到求導(dǎo)數(shù)問題，必須對(duì)非線性函數(shù)具體形式清楚了解，難以進(jìn)行模塊化應(yīng)用。五、協(xié)同定位中的濾波算法3. 無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman F

38、ilter，UKF)EKF需要計(jì)算雅可比矩陣，存在引入較大舍入誤差等問題，Julier等人在1995年提出了無跡卡爾曼濾波算法(Unscented Kalman Filter，UKF)。UKF是一種用采樣策略逼近非線性分布的方法，以UT變換為基礎(chǔ)求得采樣粒子點(diǎn)(通常稱為Sigma點(diǎn))，將粒子點(diǎn)代入原系統(tǒng)的非線性方程，變換得到一步預(yù)測粒子點(diǎn)，再對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理，將其復(fù)原成本來的系統(tǒng)狀態(tài)。UKF沒有對(duì)非線性模型進(jìn)行線性變換，而是直接利用真實(shí)的系統(tǒng)模型，從而可以達(dá)到更高的精度。UKF也適用于離散或噪聲非加性的系統(tǒng)，應(yīng)用范圍更廣；由于采用了確定性采樣策略，UKF中不會(huì)出現(xiàn)粒子衰退問題。UT變換是基

39、于這樣的先驗(yàn)知識(shí)與用一個(gè)高斯分布對(duì)任意的非線性函數(shù)進(jìn)行近似相比，通過固定數(shù)量的參數(shù)去對(duì)這個(gè)非線性函數(shù)進(jìn)行近似或變換更容易。UT變換實(shí)質(zhì)就是按照一定的采樣規(guī)則將系統(tǒng)狀態(tài)離散成一組sigma粒子點(diǎn)，使每個(gè)點(diǎn)的均值和協(xié)方差與原狀態(tài)分布的均值和協(xié)方差相等。五、協(xié)同定位中的濾波算法4. 容積卡爾曼濾波算法(Cubature Kalman Filter，CKF)為了進(jìn)一步提升非線性濾波性能，2009年加拿大學(xué)者Arasaratnam提出了一種基于容積準(zhǔn)則的高斯濾波算法容積卡爾曼濾波算法(Cubature Kalman Filter，CKF)。CKF通過選取一組滿足求容積準(zhǔn)則的、具有相同權(quán)重的采樣點(diǎn)，經(jīng)過非

40、線性方程的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生新的點(diǎn)集來給出下一時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測的概率密度函數(shù)。通過點(diǎn)估計(jì)的方法，CKF避免了對(duì)非線性系統(tǒng)模型的線性化近似處理，從而可以達(dá)到三階泰勒展開的精度。CKF避免了對(duì)非線性模型的線性化處理，不依賴于具體系統(tǒng)模型的非線性方程，算法相對(duì)獨(dú)立，適用于任何形式的非線性模型；CKF的容積點(diǎn)集通過積分得到，采用偶數(shù)并具有相同權(quán)值的點(diǎn)集，從而使用了更少的采樣點(diǎn)數(shù)；CKF不存在負(fù)權(quán)值的點(diǎn)，因此可以使用平方根CKF處理實(shí)際問題，通過傳播狀態(tài)的方差平方根，確保了方差矩陣的對(duì)稱性和正定性，一定程度上緩解了濾波過程中舍入誤差導(dǎo)致的濾波發(fā)散和數(shù)值精度降低的問題，具有比UKF更好的濾波性能。五、協(xié)同定位中的

41、濾波算法仿真實(shí)驗(yàn)領(lǐng)航艇與跟隨艇真實(shí)航行速度為1m/s，跟隨艇航推速度為1m/s，速度誤差為0.1，航向角誤差為0.1，定位誤差為0.2m，距離量測誤差為0.1m。領(lǐng)航艇起點(diǎn)(500,0)，以初始航向角60沿直線航行，跟隨艇起點(diǎn)(0,0)，以初始航向角60做S形機(jī)動(dòng)。設(shè)濾波周期為1s，航行時(shí)間為1800s。領(lǐng)航艇與跟隨艇實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡艇如下圖所示。圖20 領(lǐng)航艇與跟隨艇實(shí)際軌跡五、協(xié)同定位中的濾波算法分別采用EKF，UKF和CKF協(xié)同導(dǎo)航濾波算法，對(duì)跟隨艇的位置進(jìn)行估計(jì)并進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，分別作出跟隨艇定位誤差比較圖和協(xié)同導(dǎo)航軌跡圖。跟隨艇定位誤差比較圖 跟隨艇協(xié)同導(dǎo)航軌跡圖及其局部放大六、

42、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計(jì)算量的大小，對(duì)每種算法分別進(jìn)行50次仿真，統(tǒng)計(jì)每次仿真的程序運(yùn)行時(shí)間，并計(jì)算其平均值，由于水下聲學(xué)通信環(huán)境的特殊性，相比基于無線電網(wǎng)絡(luò)的陸上或空中多機(jī)器人協(xié)同定位系統(tǒng)來說，基于水聲通信網(wǎng)絡(luò)的多水下航行器協(xié)同定位系統(tǒng)具有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)與難點(diǎn)，如：信道帶寬窄、數(shù)據(jù)傳輸率低、系統(tǒng)可觀測性弱等，極大限制了水下航行器的協(xié)同定位性能。影響主AUV與從AUV之間距離測量的因素主要包括聲速誤差、聲線彎曲、主AUV與從AUV之間的時(shí)鐘未校準(zhǔn)引起的誤差以及時(shí)間延遲等。1. 近海面氣泡層的影響當(dāng)海水中存在氣泡時(shí)，它的可壓縮性增加。令為絕對(duì)熱壓縮系數(shù)，=0+1，0是沒有氣泡時(shí)的

43、壓縮性，1是氣泡產(chǎn)生的附加部分，相應(yīng)地聲速c=(1/)減少。其減小的比例取決于所含氣泡的數(shù)目。由于海面附近氣泡的數(shù)目按其半徑呈現(xiàn)一種分布，那么當(dāng)聲波的頻率變化時(shí)，起主要作用的那些接近共振氣泡的數(shù)目也隨之變化，結(jié)果使得聲速的減小呈現(xiàn)某種頻率特性。 六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計(jì)算量的大小，對(duì)每種算法分別進(jìn)行50次仿真，統(tǒng)計(jì)每次仿真的程序運(yùn)行時(shí)間，并計(jì)算其平均值，2. 多普勒效應(yīng)誤差影響我們要根據(jù)水聲信號(hào)從主AUV到從AUV傳播的時(shí)間來計(jì)算從AUV相對(duì)主AUV的相對(duì)距離。如果聲波在水中的傳播速度發(fā)生變化，勢必會(huì)引起距離的測量誤差，進(jìn)而會(huì)對(duì)從AUV的協(xié)同定位精度產(chǎn)生影響。由聲學(xué)基礎(chǔ)可知，

44、在流體介質(zhì)中，聲波是彈性縱波，縱波聲速可表示成c=(1/)其中為密度；為絕對(duì)熱壓縮系數(shù)。由于和都是溫度、鹽度和靜壓力的函數(shù)；因而，水中的聲速也是溫度、鹽度和靜壓力的函數(shù)。聲波在水中的傳播速度是隨海水的溫度、鹽度和深度的變化而變化的，因此聲速值與水中溫度、鹽度和深度有關(guān)，并在1450m/s-1550m/s之間變化。而根據(jù)大量聲速測量值，可以總結(jié)得到的聲速隨溫度、深度和鹽度的變化規(guī)律。在大洋中，鹽度每變化1，聲速的變化量約為+1.5m/s，所引起的測量誤差約為0.07%，若船舶由海水航行至淡水時(shí)測量誤差可達(dá)到2%。；海水溫度每增加1聲速的變化約為+3.03m/s，測量誤差約為0.2%；海深每變化10m，聲速變化為0.165-0.185m/s。六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計(jì)算量的大小，對(duì)每種算法分別進(jìn)行50次仿真，統(tǒng)計(jì)每次仿真的程序運(yùn)行時(shí)間，并計(jì)算其平均值，通過仿真得到的測距誤差與溫度的關(guān)系，艇間間距為200m。其中鹽度S=35，深度為100m。圖24 測距誤差與溫度的關(guān)系曲線六、水聲通信特性與測距誤差為比較每種算法計(jì)算量的大小，對(duì)