[发明专利]一种异时序贯量测的改进分层式AUV协同导航定位方法

说明书

本发明公开了一种异时序贯量测的改进分层式AUV(Autonomous Underwater Vehicle)协同导航定位方法，通过分层式结构的信息共享和传递，并基于移动长基线方法，通过改进的异时序贯滤波方法对异时量测信息加以处理，解决了时钟不同步的问题，以及并行滤波由于水声信号延迟所产生的定位误差问题；采用了优化的扩展卡尔曼滤波方法EKF融合内外部导航信息，并以改进的多传感器数据融合导航系统对导航过程中所得到的姿态，速度，航向信息进行融合解算，反馈到上位机软件，实现了各传感器数据的在线融合，进而对低精度层AUV进行相关状态估计更新，通过分层式编队构形实现了不同精度AUV信息的共享和传递。

技术领域

本发明涉及水下航行器的导航定位方法，尤其涉及一种异时序贯量测的改进分层式AUV(Autonomous Underwater Vehicle)协同导航定位方法。

背景技术

AUV是当今海洋工程领域的热点研究方向，通过合理的编队构形结构，进行AUV之间的高精度协同导航是多AUV水下导航系统的基础。通过多个单体进行信息的共享，使得所有AUV都具有定位能力，增加了整个系统的鲁棒性。当某个AUV受外界因素影响导致导航能力丧失的时候，通过协同导航使这些艇的导航能力得到一定程度的恢复。目前，协同导航的主要结构分为并行式导航结构、主从式协同导航结构和分层式导航。并行式导航的结构单一，通过利用邻近的AUV进行相对位置观测，但由于所有AUV都要求装配高精度装备，成本高昂，目前很难在实际作业中使用。

在主从式协同导航中，主AUV携带高精度导航系统，从AUV携带低精度导航系统，二者利用水声通信装置建立主从之间的通信连接，主AUV给从AUV发送信号，进行信息间的共享。

而分层式导航采用分层式结构，AUV层次分明，将AUV按照导航精度高低分层，同层之间的导航精度相当，处于高精度层的AUV向低精度层的AUV传递导航信息。在此过程中，由于参与构建长基线导航定位系统的各高精度层AUV与低精度层的AUV之间的距离在不同位置不相等，后者在使用问答器发出询问信号后再收到应答信号的时间间隔存在不同程度上的差异，这就导致了时钟不同步的问题。在此期间，需要定位的AUV的航行位置一直在发生改变，即不断发生姿态改变的、需要定位的AUV在发出询问信号后，就不断地接收着来自于分布在高低精度层AUV的应答信号，进而导致了并行滤波在该过程中的不适用性，造成了误差的累积，不利于AUV长时间航行。

因此，如何通过具体方法使低精度层的AUV在水声通信条件下，有效利用高精度层的AUV提供的位置量测信息，从而提高整个导航系统的导航精度，是亟需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：针对以上技术问题，本发明提出一种异时序贯量测的改进分层式AUV协同导航定位方法，通过改进的异时序贯量测方法解决时钟不同步的问题，采用扩展卡尔曼滤波方法融合内外部导航信息，并采用多传感器数据融合导航系统实现各传感器数据的在线融合，实现了不同精度AUV之间的信息的共享和传递。

技术方案：本发明异时序贯量测的改进分层式AUV协同导航定位方法包括以下步骤：

步骤(1)，通过优化分层式协同导航编队的结构来进行AUV协同导航，低精度层的AUV_q通过水声信号测量计算出与高精度层AUV_p之间的相对距离和方位角；同时，低精度层AUV_q接收高精度层AUV_p反馈的自身位置信息；

步骤(2)，以移动长基线定位方法对被定位的AUV进行航位推算，得出被定位的AUV的量测模型；

步骤(3)，采用异时序贯量测方法获得被定位AUV的俯仰角、横滚角以及加速度信息，解决并行滤波在移动长基线系统中产生的定位误差问题；

步骤(4)，通过序贯扩展卡尔曼滤波方法对系统状态进行更新；

步骤(5)，通过多传感器数据融合导航系统进行多传感器数据融合解算以进行导航；