[发明专利]一种基于单信标的水下滑翔机定位方法

说明书

本发明公开了一种基于单信标的水下滑翔机定位系统及方法。定位系统包括水下滑翔机内的定位声学接收模块、定位处理模块、压力传感器、姿态传感器和卫星接收模块，以及一个部署于海底或海面的定位信标。首先单定位信标以固定时间间隔发送包含经纬度和高程信息的定位报文，水下滑翔机侦听并解析定位报文，结合报文信息和节点姿态信息建立状态向量、测量向量以及相应的状态方程和测量方程，利用扩展卡尔曼滤波，计算得到估计的水下移动节点位置。本方法对水下滑翔机进行定位时，无需水下滑翔机与信标保持时钟同步，且无需装备速度仪。

技术领域

本发明属于定位技术领域，涉及一种基于单信标的水下滑翔机定位系统及方法，结合单个定位信标所发的定位报文信息与水下机器人的姿态信息，实现水下滑翔机的定位。

背景技术

近年来，海洋资源勘探、海洋环境监测、水下设备研发等成为热点方向。水下机器人，如自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)、水下滑翔机(UnderwaterGliders,UG)、遥控水下机器人(Remote Operated Vehicles,ROV)等，越来越多地应用于海洋环境监测与水下目标探测中，且这类水下设备常需要机动到指定区域执行相应水下任务。因此，水下机器人的定位跟踪是机器人在科学研究与工程应用中的支撑技术之一。

由于电磁波信号在海水中会受到较大的衰减，陆地上较为成熟的定位系统(如美国的全球定位系统，中国的北斗定位系统等)并不适合用于水下机器人的定位。声信号在海水中的衰减小，水声信号是水下信息传输的主要载体，常被用于水下设备的定位跟踪领域。

在此基础上发展出来了以长基线、短基线和超短基线为代表的水下设备定位方法及其系统。长基线定位系统可用于水下设备的自主定位，要在海底布设传感器阵列，采用应答机制进行测距，从而得到较高的定位精度，但是需要固定水域内的部署水声应答装置，而且应答器节点位置标定难度高，使其实现代价较高。短基线水声定位系统需要在载体平台上布放传感器阵列，水下设备安装应答器，可对水下设备进行定位，但是无法实现水下设备自主定位。超短基线水声定位系统需要在载体平台上布放声学基线阵列，水下设备安装应答器，采用应答机制实现对水下设备定位，但是同样无法实现水下设备的自主定位。同时，超短基线定位系统还存在着复杂的校准问题。在此基础上，也有一些组合形式的定位方案，兼具长基线的精度和超短基线的便携性。但是，上述水声定位方法均需要安装应答器以完成距离测量或到达角度测量，无法实现水下设备节能且隐蔽型的定位。

在水声测距基础上发展出了基于多信标的水下机器人定位方法。利用多个信标和水下机器人进行信息交互实现测距，结合多个信标的位置与测距信息实现水下机器人的位置解算。根据工作方式的不同，水下机器人可以主动向信标发送定位请求，也可以被动接收信标广播的定位报文获取测距信息。经检索，中国专利申请号CN201711371839.6公开了一种基于北斗信标的水下移动节点自主定位方法，海面3个信标组成定位阵列，同步广播定位报文，水下机器人被动侦听报文，当接收到3条定位报文之后完成位置解算；中国专利申请号CN201910635423.3公开了一种基于多信标的超短基线标定系统及标定方法，通过多信标对一体化安装的超短基线换能器进行了精确标定。

相较于基于多信标的水下机器人定位方法，基于单定位信标的水下机器人定位技术是水声定位的一个新研究方向。这种定位方式水下机器人只需要利用一个信标节点发送的定位报文信息，将声学测距定位设备与机器人平台运动传感器组合使用，实现水下机器人自身位置的估计。目前，已有一些基于单定位信标的水下机器人定位跟踪方法。经检索，中国专利申请号CN201710599165.9和中国专利申请号CN201710599155.5分别发明公开了一种基于虚拟信标的AUV定位跟踪方法和一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法。这两种跟踪方法的局限在于利用定位信标到AUV的斜距进行节点定位，要求节点与信标保持着较为严格的时钟同步。此外，也有基于利用传输时间进行序贯滤波的单信标水下机器人的定位跟踪方法，这种方法局限在于要求节点与信标保持时钟同步且需要实时获取移动节点的速度。

现有水下机器人的水声定位方法大多存在以下问题：