[发明专利]一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法

说明书

本发明提出一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，当航行器运行到某作业区域之后，释放浮标，水下航行器接收由上浮至水面的浮标的换能器发送的数据包，该数据包里面包含了浮标的经纬度信息以及UTC时间，被定位目标AUV的换能器在接收到浮标法发送的数据之后，将信号传递到航行器的处理器中并对数据进行解析计算，最终求得航行器的定位信息。本发明较于传统方案中单纯依靠AUV自身定位或AUV协同定位，有着更高的精度，同时也不需要配备多个高精度设备，节约成本。且本发明与传统方案中依靠海底应答器基阵来实现AUV的定位方法相比，本发明中水上浮标的投放布置比海底应答器基阵的投放布置更加方便、快捷，同时，水上浮标可在使用之后随时回收，节约成本。

技术领域

本发明涉及惯性导航与水声定位技术领域，尤其是一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法。

背景技术

通常，AUV需要通过航位推算的方法来对自身的位置进行定位。但是，在AUV执行任务时，随着时间的推移，导航设备的定位误差越来越大，需要 AUV上浮水面利用GPS来完成校准，极大地浪费了AUV的能源。

为此，大量学者提出了集群AUV协同导航的方案。目前，国内外关于集群AUV 协同导航的方案主要有两种：1、多个AUV之间利用水声导航进行信息交互，实现 AUV的定位；2、设置水底应答器基阵，利用水声导航来进行应答器基阵和AUV之间的信息交互，实现AUV的定位。但是，这两种传统方案仍存在很多问题：传统方案1，AUV定位精度严重依赖自身携带的设备的精度，但由于高精度设备价格昂贵，只能给少部分的AUV配备；传统方案2，由于应答器必须置放于水底或海底，这给应答器的投放和回收造成了巨大的困难，可想而知，如果在深海区域，设置应答器基阵这种方案是行不通的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种设计合理、精度高且性能稳定的基于水上浮标的自主水下航行器定位方法。

一种基于水上浮标的自主水下航行器定位方法，包括以下步骤：

步骤1：将a,b,c三个水上浮标布放至工作区域，水上浮标通过北斗卫星导航系统模块获得自身位置的经度和纬度信息与UTC时间，通过水声通信技术将位置信息以周期T发送至AUV；

步骤2：AUV通过传输时间其中x＝a,b,c，计算出AUV与三个水上浮标的相对距离以水上浮标为球心，相对距离为半径，分别画出三个球形，这时三个球形会交于两点，而且这两点关于水面对称，水下的点即为AUV的位置；再用深度传感器测量出AUV的深度；根据几何关系与航行器的深度信息可以解算出航行器在大地坐标系下的坐标。

进一步的，水上浮标是由AUV释放至工作区域，当AUV完成水下工作后，通过对水上浮标的北斗卫星导航系统模块进行定位，逐一对水上浮标进行回收。

进一步的，步骤1中，将3个水上浮标布放至工作区域，水上浮标和AUV开始执行任务，水上浮标通过其自身的北斗卫星导航系统模块来获得自身位置的经度和纬度信息(北纬lat_x_i°东经long_x_i°)；再通过电发送机将浮标自身位置信息(包含从北斗卫星导航系统模块获得的当前时间t₀，即为换能器发送信号时间为t₀)转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，换能器以周期T将该电信号转换为声信号，声信号通过水这一介质，将信息传递到AUV的接收换能器，AUV的接收换能器接收声信号的时刻为t_i，那么声信号传输所用的时间为：

式中：i＝1,2,...,n表示测量次数。

AUV的接收换能器接收到声信号后，又将声信号转换为电信号，解码器将数字信息破译后，获得水上浮标所处位置的经纬度信息。

进一步的，步骤2的具体操作方式为：