CN103968830B - 一种uuv近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于解决在恶劣环境下UUV感知母船位置问题的UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法。本发明包括GPS定位装置、船用激光测距仪、多波束前视声呐和同步定位声呐，GPS定位装置包括分别安装在UUV和母船上的GPS天线，用于接收来自GPS卫星的定位信息；船用激光测距仪安装于母船，通过激光束测量UUV与母船的相对距离和方向；多波束前视声呐安装于UUV，通过声波测量母船与UUV的相对距离和方向；同步定位声呐包括安装于母船的发射基阵、接收基阵和安装于UUV的应答器。本发明增强了***的冗余能力和定位精度，提高了***数据传输的可靠性。

Description

一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于解决在恶劣环境下UUV感知母船位置问题的UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法。

背景技术

UUV的近水面运动是一种十分重要的航行状态，利用目标导引的方法促使其跟踪试验母船航行，可大大提高航行器在布放、回收过程中的自主能力。以母船为导引目标，在实时获取位置的基础上可规划相应航路下达给UUV，进而完成自主跟踪航行。传统做法是在母船和UUV载体上分别配备全球定位***，即GPS装置，获取二者以经纬度表示的绝对位置，通过已知两点坐标求距离的方法完成相对位置的转换。由于UUV海上作业存在环境差、风险大以及强不确定性的特点，GPS定位装置易受船体摇晃的影响给测量数据带来干扰，在恶劣环境下甚至无法接收卫星信号，造成定位失效的问题。由此可见单一的GPS定位方式无法满足实际需求，采用船用激光测距仪、多波束前视声呐、同步定位声呐等多种导引装置来获取母船的位置对完善***的冗余能力十分必要。

在获取UUV和母船的相对位置数据后，另一重要问题就是完成二者之间的数据传输。UUV在近水面航行时以无线电和水声通讯相结合的通讯方式完成与试验母船之间的数据传输。无线电通讯方式基本实现了实时传输，数据延时可以忽略不计，但要求UUV在近水面航行时接收天线必须露出水面，一旦海况级别较高，波幅较大的海浪将会淹没UUV的通信天线造成通信间断的问题；水声通讯方式解决了即使UUV在水下航行仍可完成水下数据传输的问题，但缺点是通信延迟较长。本发明设计通讯数据同步的方法解决两种通讯方式时间不一致的问题，提高UUV对母船的定位精度。

通过对中国专利数据库检索，未查询到本发明相关的专利。通过对美国专利数据库及欧洲专利数据库的检索，未查到与本发明类似专利。

经过对国内外现有技术的文献和专利检索，尚未发现类似用于水下无人航行器的多途导引装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高了***数据传输的可靠性的UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置，本发明的目的还在于提供一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置，包括GPS定位装置、船用激光测距仪、多波束前视声呐和同步定位声呐，GPS定位装置包括分别安装在UUV和母船上的GPS天线，用于接收来自GPS卫星的定位信息；船用激光测距仪安装于母船，通过激光束测量UUV与母船的相对距离和方向；多波束前视声呐安装于UUV，通过声波测量母船与UUV的相对距离和方向；同步定位声呐包括安装于母船的发射基阵、接收基阵和安装于UUV的应答器，同步定位声呐一方面完成UUV与母船之间相对距离和相对方位，另一方面完成UUV与母船之间的水声通讯。

除同步定位声呐外，还包括分别安装于UUV和母船的无线电天线。

一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引方法：

(1)UUV载体配置的GPS和母船GPS同时获取各自的绝对位置，通过两点之间求距离的方法对经纬度转换即可获取相对方位；

(2)利用激光束传播时间和速度测量UUV与母船的相对距离和方向；

(3)以母船为测量目标，利用测距声呐的声波返回时间及速度测量UUV与母船的相对距离和方向；

(4)利用超短基线工作原理，通过测定声单元的相位差来确定基阵与应答器之间的相对方位角，通过测定声波传播的时间及声速剖面修正最终确定母船与UUV的相对距离。

本发明的有益效果是：在UUV近水面跟踪母船航行时采用GPS、船用激光测距仪等多种方式测量UUV与母船之间的相对距离和方向，增强了***的冗余能力和定位精度，并且采用无线电、水声通讯相结合的通讯方式完成定位过程中UUV与母船之间的数据传输，对两种通讯方式进行时间配准，提高了***数据传输的可靠性，从而实现UUV近水面航行时在高海况恶劣环境条件下自主感知母船位置。

附图说明

图1是UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置示意图；

图2是水声通讯与无线电通讯数据同步流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

UUV的近水面运动是一种十分重要的航行状态，利用目标导引的方法促使其跟踪试验母船航行，可大大提高航行器在布放、回收过程中的自主能力。由于海上作业存在环境差、风险大以及强不确定性的特点，采用多种导引装置和通讯方式来获取母船的位置对完善***的冗余能力十分必要。本发明公开一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法，用于解决UUV自主感知母船位置进而实现路径跟踪的问题，其中多途导引装置包括：1)传统GPS定位装置，工作原理是，UUV载体配置的GPS和母船GPS同时获取各自的绝对位置，通过两点之间求距离的方法对经纬度转换即可获取二者的相对方位；2)船用激光测距仪，工作原理是，利用激光束传播时间和速度测量UUV与母船的相对距离和方向；3)多波束前视声呐，工作原理是，以母船为测量目标，利用测距声呐的声波返回时间及速度测量UUV与母船的相对距离和方向；4)同步定位声呐，工作原理是，利用超短基线工作原理，由安装在试验母船上的发射基阵、接收基阵和固定在UUV载体上的应答器组成，与GPS、母船姿态传感器(罗经)结合在一起可以测量UUV与母船之间的相对位置。UUV在近水面航行时以无线电和水声通讯相结合的通讯方式完成与试验母船之间的数据传输，本发明提出一种用水声通信的延迟时间修正基于径向基函数(RadicalBasisFunction，RBF)神经网络拟合获得的水声通信定位数据的方法，对两种通讯方式下的定位数据进行数据同步处理，保持定位数据的一致性。

UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置及方法，包括：(1)UUV近水面航行；(2)多种导引装置感知母船位置；(3)多种通讯方式完成UUV与母船的数据传输；(4)利用数据同步处理保持两种通讯方式下的定位数据时间一致性；(5)采用冗余技术增强***在恶劣环境下的可靠性。

UUV近水面航行时存在环境差、风险大以及强不确定性的特点，而近水面航行对提高通信的畅通造成良好条件，因此是UUV在布放、回收等过程中必不可少的运动状态。

多种导引装置获取母船位置，具体指GPS定位装置、船用激光测距仪、UUV搭载多波束前视声呐及同步定位声呐四种途径，其中GPS定位获取的分别是UUV和母船的绝对位置，经计算转换可得到相对方位，而船用激光测距仪、多波束前视声呐和同步定位声呐则直接实时获取二者的相对距离和方向。

多种通讯方式完成UUV与母船的数据传输，具体指无线电和水声通讯相结合的通讯方式，其中无线电通讯要求UUV通讯天线保持在水面以上，而水声通讯方式则以搭载应答器和母船基阵的通信完成数据的水下传输。

对两种通讯方式下的定位数据进行数据同步处理，采用时间配准方法对通信数据进行处理以保持数据一致性，采用径向基函数(RadicalBasisFunction，RBF)神经网络拟合方法将水声通信数据匹配至无线电获取的数据点上，同时用水声通信的延迟时间进行修正。

采用多种母船定位途径和通讯方式的冗余技术可增强UUV感知母船位置***在恶劣环境下的可靠性。

本发明中UUV对母船的跟踪航行是通过以下感知定位方案实现的：

a)多种导引途径提供UUV和母船的相对位置，具体包括GPS定位装置、船用激光测距仪、UUV搭载多波束前视声呐以及同步定位声呐***；

b)无线电和水声通讯相结合的通讯方式完成定位数据的传输；

c)采用数据同步方法解决水声通信延迟问题，保持两种通讯方式的时间一致性；

d)通过冗余技术提高UUV感知母船位置***的可靠性。

所述的多种导引途径方案a)中GPS定位装置是指，分别在UUV载体和母船上配备现有的GPS定位设备，在通信畅通的情况下可获取二者以经纬度表示的绝对位置；

所述的多种导引途径方案a)中船用激光测距仪是指，在母船艉部安装船用激光测距仪对UUV进行实时探测，利用激光束传播时间和速度测量UUV与母船的相对距离和方向；

所述的多种导引途径方案a)中UUV搭载多波束前视声呐是指，在UUV艏部安装多波束前视声呐，利用声波返回原理，以母船为探测目标，根据声波传输速度和时间计算二者的相对距离和方向；

所述的多种导引途径方案a)中同步定位声呐***是指，利用超短基线工作原理，由安装在试验母船上的发射基阵、接收基阵和固定在UUV载体上的应答器组成，***通过测定声单元的相位差来确定基阵到应答器的相对方位角，通过测定声波传播的时间及声速剖面修正最终确定母船与UUV的相对距离。

所述的多途导引装置及方法实现方案b)中无线电和水声通讯相结合的通讯方式是指，UUV在近水面航行接收天线露出水面时，采用无线电通讯方式可实现数据的实时传输，同时，水声通讯方式解决了UUV在水下航行时的数据传输的问题。

所述的多途导引装置及方法实现方案c)中采用数据同步方法解决水声通信延迟问题是指，由于无线电通讯和水声通讯数据传输频率不一样，本专利采用数据同步手段对无线电通讯数据和水声通讯数据进行时间配准，以保持两种通讯方式的时间一致性，此过程具体包括以下步骤：

步骤1：利用RBF神经网络对水声通信数据进行拟合，为与无线电通信数据完成配准，将训练步长取为0.5s，则可获得任意0.5t时刻的水声通信数据，t＝1s,2s,v,ns；

步骤2：根据水声通信获得的UUV与母船的相对位置Δd、声波传输速度v及数据解算时间ω_t(其中ω_t一般为毫秒级，可以忽略)，可以采用以下公式求解其延迟时间，由此获得每个传输相对距离点的延迟时间：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=2\·\frac{\mathrm{\Δ}{d}_i}{v}+{\mathrm{\ω}}_t\≈2\·\frac{\mathrm{\Δ}{d}_i}{v}$

表示意义为当定位距离为Δd_i时，第i个数据的延迟时间为Δt_i。

步骤3：将RBF网络拟合得到的水声通信数据按照分别提前Δt_is，即最终匹配时间时水声通信获得的对应时间为(0.5t-Δt_i)s.

步骤4：由步骤3获得UUV与母船相距为Δd的对应时间是(0.5t-Δt_i)s，并不一定能保证是0.5s的整数倍，为与无线电数据完成同步，再次利用RBF神经网络拟合即可。

所述的多途导引装置及方法实现方案d)中通过冗余技术提高UUV感知母船位置***的可靠性是指，多种途径导引装置的应用增强了UUV与母船相互的定位精度，两种通讯数据相结合应用提高了***的容错能力。

本发明涉及一种UUV在近水面跟踪母船时采用多种途径导引其航行的装置及方法，特别适用于解决在恶劣环境下UUV感知母船位置的问题。该方法组合多种测距装置，并两种通讯方式的时间进行配准，从而准确测量近水面航行时在高海况和复杂环境下UUV与母船的相对位置，下面结合附图，进一步说明本发明的特点和功能。

图1是UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引装置以及通讯装置示意图。

多途导引装置包括传统GPS定位装置、船用激光测距仪、多波束前视声呐和同步定位声呐。其中，GPS定位装置包括分别安装在UUV和母船上的GPS天线，用于接收来自GPS卫星的定位信息；船用激光测距仪安装于母船，通过激光束测量UUV与母船的相对距离和方向；多波束前视声呐安装于UUV，通过声波测量母船与UUV的相对距离和方向；同步定位声呐包括安装于母船的发射基阵、接收基阵和安装于UUV的应答器，同步定位声呐一方面完成UUV与母船之间相对距离和相对方位，另一方面完成UUV与母船之间的水声通讯。

通讯装置除同步定位声呐外，还包括分别安装于UUV和母船的无线电天线。

传统GPS工作原理是，UUV载体配置的GPS和母船GPS同时获取各自的绝对位置，通过两点之间求距离的方法对经纬度转换即可获取二者的相对方位；船用激光测距仪工作原理是，利用激光束传播时间和速度测量UUV与母船的相对距离和方向；多波束前视声呐工作原理是，以母船为测量目标，利用测距声呐的声波返回时间及速度测量UUV与母船的相对距离和方向；同步定位声呐工作原理是，利用超短基线工作原理，由安装在试验母船上的发射基阵、接收基阵和固定在UUV载体上的应答器组成，***通过测定声单元的相位差来确定基阵与应答器之间的相对方位角，通过测定声波传播的时间及声速剖面修正最终确定母船与UUV的相对距离。

由以上四种导引方式均能够测得UUV与母船之间的相对位置，其中，利用GPS定位装置、利用船用激光测距仪和利用同步定位声呐的方法涉及UUV与母船之间的数据传输问题，故可靠的通讯方式也是保证本方案实现UUV与母船之间准确定位的关键，本方案采用无线电和水声通讯相结合的通讯方式，并且利用水声通信的延迟时间修正基于RBF神经网络拟合获得的水声通信定位数据。

无线电通讯方式下定位数据传输频率为2Hz,而水声通讯方式则为0.5Hz。应用数据同步方法将水声通讯数据同步到无线电采样数据的时间点上，完成二者的时间配准，经过时间配准后的水声通讯数据在无线电采样点附近有一个水声通讯数据的估计值。

图2是水声通讯与无线电通讯数据同步流程图，具体步骤为：

步骤1：利用RBF神经网络对水声通信数据进行拟合，为与无线电通信数据完成配准，将训练步长取为0.5s，则可获得任意0.5t时刻的水声通信数据，t＝1s,2s,…,ns；

步骤2：根据水声通信获得的UUV与母船的相对位置Δd、声波传输速度v及数据解算时间ω_t(其中ω_t一般为毫秒级，可以忽略)，可以采用以下公式求解其延迟时间，由此获得每个传输相对距离点的延迟时间：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=2\·\frac{\mathrm{\Δ}{d}_i}{v}+{\mathrm{\ω}}_t\≈2\·\frac{\mathrm{\Δ}{d}_i}{v}$

表示意义为当定位距离为Δd_i时，第i个数据的延迟时间为Δt_i。

步骤3：将RBF网络拟合得到的水声通信数据按照分别提前Δt_is，即最终匹配时间时水声通信获得的对应时间为(0.5t-Δt_i)s.

步骤4：由步骤3获得UUV与母船相距为Δd的对应时间是(0.5t-Δt_i)s，并不一定能保证是0.5的整数倍，为与无线电数据完成同步，再次利用RBF神经网络拟合即可。

本发明主要面向UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引方法，可方便有效地实现UUV与母船之间的相互定位及数据传输，尤其在恶劣环境下***冗余能力较强。在不脱离本发明思想的情况下，凡应用本发明说明书及附图内容所做的各种等效变化，均理同包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (1)

1.一种UUV近水面跟踪母船航行时的多途导引方法，包括GPS定位装置、船用激光测距仪、多波束前视声呐和同步定位声呐，GPS定位装置包括分别安装在UUV和母船上的GPS天线，用于接收来自GPS卫星的定位信息；船用激光测距仪安装于母船，通过激光束测量UUV与母船的相对距离和方向；多波束前视声呐安装于UUV，通过声波测量母船与UUV的相对距离和方向；同步定位声呐包括安装于母船的发射基阵、接收基阵和安装于UUV的应答器，同步定位声呐一方面完成UUV与母船之间相对距离和相对方位，另一方面完成UUV与母船之间的水声通讯；除同步定位声呐外，还包括分别安装于UUV和母船的无线电天线；其特征在于：

(1)UUV载体配置的GPS和母船GPS同时获取各自的绝对位置，通过两点之间求距离的方法对经纬度转换即可获取相对方位；

(2)利用激光束传播时间和速度测量UUV与母船的相对距离和方向；

(3)以母船为测量目标，利用测距声呐的声波返回时间及速度测量UUV与母船的相对距离和方向；采用数据同步手段对无线电通讯数据和水声通讯数据进行时间配准：

(3.1)利用RBF神经网络对水声通信数据进行拟合，为与无线电通信数据完成配准，将训练步长取为0.5s，则可获得任意0.5t时刻的水声通信数据，t＝1s,2s,…,ns；

(3.2)根据水声通信获得的UUV与母船的相对位置Δd、声波传输速度v及数据解算时间ω_t，求解延迟时间，由此获得每个传输相对距离点的延迟时间：

${\mathrm{\Δt}}_i=2\·\frac{{\mathrm{\Δd}}_i}{v}+{\mathrm{\ω}}_t\≈2\·\frac{{\mathrm{\Δd}}_i}{v}$

表示当定位距离为Δd_i时，第i个数据的延迟时间为Δt_i；

(3.3)将RBF网络拟合得到的水声通信数据按照分别提前Δt_is，即最终匹配时间时水声通信获得的对应时间为0.5t-Δt_is；

(3.4)由步骤(3.3)获得UUV与母船相距为Δd的对应时间是0.5t-Δt_is，并不一定能保证是0.5s的整数倍，为与无线电数据完成同步，再次利用RBF神经网络拟合进行时间配准；

(4)利用超短基线工作原理，通过测定声单元的相位差来确定基阵与应答器之间的相对方位角，通过测定声波传播的时间及声速剖面修正最终确定母船与UUV的相对距离。