[发明专利]水下自主航行器AUV自主定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下自主航行器(AUV)定位方法，属于水下无线网络领域。该发明同样适用于水下无线传感器节点。

背景技术

电磁波信号无法穿透水体，因此类似GPS等定位信号无法为AUV提供定位信息。同时目前AUV主要是单个应用或者有限个应用，协同定位方面并不是其研究重点。其主要定位技术是采用类似于“遥控”的远程声波定位控制技术，例如LBL(long baseline)、SBL(short baseline)和USBL(ultra short baseline)等声控定位技术。此外还出现了借鉴GPS定位技术的水面浮标(buoy)和水底锚标(anchor)定位技术。但这些技术在某些特定的应用场合都存在不足。例如，声控方法有距离限制，并且当声控设备和AUV之间存在遮挡物时会无法传递声学信号。而浮标和锚标方法必须事先在规划工作区域铺设定位标识点，当其长期存在时，容易暴露目标，不利于隐藏，并且其补充能量也是个很大的挑战。而在AUV的某些应用中，其工作区域无法提前获知，更无法事先布设定位参照点。

发明内容

本发明的目的是：无需采用传统的水面或者水底定位锚标，让高定位精确度的信息尽量扩散，协助低定位精确度的节点提高定位精度。只要AUV的定位精确度满足设定要求，则该AUV就可以一直滞留水下进行工作，从而延长在水中滞留工作的时间。

AUV是在水下工作，不同于陆上系统，陆上节点的速度和航向基本不受风力等外力干扰或者干扰甚微，可以忽略不计，水中航行的AUV受水流影响非常大。这会进一步加剧仪器产生误差的概率或者范围。有时即使AUV本身保持静止，水流也会慢慢将其推离原有位置。因此，完全依靠AUV自身携带的导航仪器在水下航行会慢慢失去精确定位，从而失去应用价值。但水流也不是完全没有规律的，在一定程度上具有连贯性，即是渐变的。所以在某种程度上我们可以依据前一段航行过程中水流对AUV定位精度的影响程度推断下一个阶段的影响程度。

每个AUV在水下航行期间，由于无法预知追踪仪器和水流对误差造成的实时影响，所以我们无法预知AUV在水下航行时追踪坐标的准确性，但实用中又需要了解在仪器和水流共同影响下的坐标准确性量化指标。为此，我们把坐标精确度依据精确度指标进行标注，称之为λ。刚刚获取GPS信号的AUV，具有最高定位精度，而在水下航行的AUV，由于其只能依靠所携带的仪器导航，并且由于累积误差和水流等因素的干扰，其精度会慢慢降低，这个降低的过程受仪器误差和水流的双重影响。设计λ=(1-tn-tluN*tui)*(1-d(u,t)d(u,lu)+d(u,t))]]>来体现这两者对精度的影响。其中t_n是当前时间，t_lu是此AUV上次坐标更新的时间，N是正整数，t_ut是AUV坐标更新的时间间隔，d_(u，t)是AUV进行坐标更新时，更正后的坐标与仪器追踪所得坐标之间的距离差，初始值为0，d_(u，lu)是最新的两次坐标更新之间航行过的距离，这个值可以通过最近的两次更新时的坐标计算得出。为了防止出现除以0的情况，规定当d_(u，t)＝0时d_(u，lu)＝1(当AUV刚入水、或者AUV在某个位置保持不动时会出现d_(u，t)＝0的情况)，当d_(u，t)≠0时d_(u，lu)取实测值。定位精度λ的第一括号内部分是迫使AUV的定位精度随着其在水下航行时间的延长而下降，代表依靠仪器导航的定位精度会越来越低。第二括号内部分是考虑仪器误差和水流导致的误差对精度的综合影响(因为在AUV航行过程中产生的误差，很难判断出是仪器造成的还是水流造成的，所以把两种误差影响放在一起综合考虑)。综合误差相对于航行距离的比值越大，则迫使定位精度λ下降越快。由于第二部分取决于综合误差和之前航行距离的比值，属于后验值，因此其实质是依靠之前已知的综合误差影响推断当前的综合误差范围，这也是基于水流变化的渐变性。由于各AUV所携带仪器的精度不同、航行所在的水流不同、受水流影响造成的综合误差不同，因此一群协同工作的AUV其定位精度λ会各不相同。如果把定位精度看成温度的话，则定位精度越高的AUV其“温度”越高，那么我们的目标就是让高温的节点对低温的节点进行加热，只要某个节点能从周围的邻居那里获得足够的“热量”，能维持在设定“温度”以上，那么该节点就不用上浮到水面上通过GPS“加到最热”。