[发明专利]适用于极地冰架下环境的自主水下机器人的组合导航方法

说明书

本发明涉及水下组合导航技术领域，尤其涉及一种自主水下机器人极地冰架下环境的自主水下机器人的组合导航方法组合导航方法，针对极地水下长航程的自主水下机器人长时间航行的累积导航误差消除问题，实现自主水下机器人自主携带声学导航信标，自主水下机器人自主布放声学导航信标，自主标定声学信标布放三维空间位置，最后根据信标标定结果进行单信标组合导航，解决冰下长时间远程自主水下机器人导航位置的累积偏移问题。本发明的重点是解决冰下布放信标的位置标定问题，在信标标定成功后，再根据信标标定位置和单信标测距对冰下自主水下机器人进行导航。

技术领域

本发明涉及水下组合导航技术领域，尤其涉及一种自主水下机器人(简称AUV)极地冰架下环境的自主水下机器人的组合导航方法组合导航方法。

背景技术

在海洋工程、海洋科学调查过程中，自主水下机器人发挥越来越重要的作用，而在极地环境下使用自主水下机器人替代人类完成极地冰下-海洋系统观测是当前支撑极地科考的重要工程装备研究的热点。针对极地冰架-海洋系统的观测平台可以分为天基、冰基、自主水下机器人等多种类平台。天基观测平台包括卫星遥感和飞机挂载观测设备等，其优点是实现高效大面积观测，局限性是无法获取冰架内部的精细结构；冰基观测平台主要包含雷达、热水钻等，其优点是能够观测冰架，但局限性是空间覆盖率较低、观测灵活性不足。相对以上两类平台，自主水下机器人平台是高效冰下移动平台，既能到达冰架内部观测，又能够灵活大范围移动观测，所以自主水下机器人越来越成为极地冰下海洋观测的重要海洋装备。自主水下机器人需要在冰架下长时间测绘冰架形态、冰架下海底地貌、观测冰架下的海洋水体，其中导航系统的作用是精确导引自主水下机器人到达观测目标位置，实现观测数据与观测空间的高精度位置匹配，保证冰架下海洋观测数据的质量，所以冰架下的导航问题是自主水下机器人在冰架下应用所面临的关键技术问题。极地冰架下导航的难点是深水罗经在极区的游移角误差随纬度的增高而放大，即深水罗经的航向精度随纬度升高而下降，航向精度的下降又进一步降低了自主导航航位推算的位置精度，所以在极地冰架环境下实现长时间、远距离范围内的高精度导航定位是水下导航系统的重要技术挑战。传统水下组合导航系统的外部辅助定位主要采用声学定位方式，根据声基线的距离不同，可将水下声学定位系统分为长基线、短基线和超短基线。长基线的基线长度一般为100米到6000米，采用母船布放3个以上长基线定位信标，然后母船以围绕长基线声学定位信标水面航行航行的方式，利用母船自身搭载的大型超短基线和差分GPS对长基线定位信标位置进行导航标定，最后自主水下机器人在长基线阵内航行，不断融合长基线测距信息改进组合导航系统位置精度。短基线的基线长度一般为1到50米，一般将短基线信标搭载在母船上，自主水下机器人在母船附近航行，不断融合短基线测距信息改进组合导航系统位置精度。超短基线的基线长度小于1米，一般超短基线基阵搭载在母船上，自主水下机器人在母船超短基阵覆盖范围内航行，数据融合超短基线方位/距离测量改进组合导航系统位置精度。在极地冰架下环境下，尤其南极冰架的厚度达到上千米，母船无法到达冰架上方使用短基线、超短基线对冰架下的自主水下机器人进行声学辅助定位，更无法在冰架上方布设长基线定位信标，更无法对布放信标进行位置标定，所以需要自主水下机器人自主携带信标从冰架下洞口到达冰架下方的海洋，自主布放信标到海底，自主对信标的位置进行标定，自主水下机器人通过测量与信标的距离对自身的导航误差进行修正，其中如何利用自主水下机器人对信标位置进行标定是极地冰下组合导航的关键步骤，标定的精度直接影响到自主水下机器人的外部量测精度，进而决定冰下作业自主水下机器人的导航精度。近年来，研究人员在不依托母船工况下对布放信标进行位置标定方面取得了一定的进展，但是其平台依然是具有实时接收GPS信号的无人船、具有上浮到水面接收GPS信标的自主水下机器人，而极地冰下环境的自主水下机器人不具备接收GPS定位的客观条件，再考虑到极地冰架下自主水下机器人自主导航精度下降明显，所以需要新的适用于极地冰架环境的自主水下机器人单信标组合导航方法，利用信标与自主水下机器人的纯距离间接观测，将自主水下机器人内部导航传感器计算的移动矢量径引入观测方程，再通过机动要素分析规划观测的机动路径，提高信标标定的精度和可观测度。

发明内容