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平台运动对声学导航圆交汇模型的影响及误差分析

付进 李静 孙思博

付进, 李静, 孙思博. 平台运动对声学导航圆交汇模型的影响及误差分析[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(7): 1652-1660. doi: 10.11999/JEIT190438
引用本文: 付进, 李静, 孙思博. 平台运动对声学导航圆交汇模型的影响及误差分析[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(7): 1652-1660. doi: 10.11999/JEIT190438
Jin FU, Jing LI, Sibo SUN. Influence of Platform Movement on Acoustic Navigation Circle Intersection Model and Error Analysis[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(7): 1652-1660. doi: 10.11999/JEIT190438
Citation: Jin FU, Jing LI, Sibo SUN. Influence of Platform Movement on Acoustic Navigation Circle Intersection Model and Error Analysis[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(7): 1652-1660. doi: 10.11999/JEIT190438

平台运动对声学导航圆交汇模型的影响及误差分析

doi: 10.11999/JEIT190438
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC0306900),国家自然科学基金(61801138),国家重点研发计划省级资金资助项目(GX18C019),青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金(QNLM2016ORP0102),水声技术重点实验室稳定支持课题(SSJSWDZC2018011)
详细信息
    作者简介:

    付进:女,1981年生,教授,研究方向为水下定位与导航、水声信号处理等

    李静:女,1995年生,博士生,研究方向为水下定位与导航、水声信号处理等

    孙思博:男,1987年生,讲师,研究方向为水下定位与导航、水声信号处理等

    通讯作者:

    孙思博 sunsibo@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TN911.7

Influence of Platform Movement on Acoustic Navigation Circle Intersection Model and Error Analysis

Funds: The National Key R&D Program of China (2017YFC0306900), The National Natural Science Foundation of China (61801138), The Provincial Funding Projects of National Key R&D Program of China (GX18C019), Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology Open Found (QNLM2016ORP0102), The Stable Supporting Fund of Acoustic Science and Technology Laboratory (SSJSWDZC2018011)
  • 摘要:

    声学导航技术被广泛应用于水下机动平台的自主导航。常用的声学导航模型多为圆交汇模型,该模型结构简单,计算方便,但未考虑平台运动影响,是一种静止模型。平台运动条件下,平台接收各水下声信标(水下星站节点)的时间及所处空间位置不同,即时间和空间存在差异性,会产生模型失配,影响导航精度。针对上述问题,该文推导了由平台运动造成的模型失配误差公式,定量分析了运动对导航精度的影响以及误差的空间分布规律,着重研究了航速、航向角等航行参数对导航精度的影响规律,并进行了仿真验证。研究结果表明:仅考虑平台运动的影响时,声学导航圆交汇模型的失配误差存在,且与平台在阵内的空间位置有关,其导航精度空间特性呈近似的同心椭圆分布;模型失配误差还与平台航行参数有关,模型失配误差对速度变化敏感,随着航行速度增大,呈近似线性趋势增大,影响严重;航向角对全局精度变化范围影响小,主要影响模型失配误差的空间分布,体现为一种随航向角“旋转”的特性,且椭圆横轴方向与平台运动方向趋于一致。

  • 图  1  圆交汇原理示意图

    图  2  运动平台时空不统一示意图

    图  3  模型失配误差空间分布

    图  4  导航误差空间分布特性

    图  5  不同位置处模型失配误差随$v$的变化趋势及其斜率

    图  6  ${m_{i - 1}}$$\theta $的变化趋势

    图  7  ${n_{i - 1}}$$\theta $的变化趋势

    图  8  不同位置处模型失配误差随$\theta $的变化趋势

    图  9  不同航向角运动平台模型失配误差分布图

    表  1  布阵参数表(m)

    声信标编号横坐标x纵坐标y深度坐标z
    1#0060
    2#3000060
    3#3000300060
    4#0300060
    下载: 导出CSV

    表  2  其他误差源参数表

    声传播时延误差声速测量误差声信标阵位误差
    0.4 ms0.4 m/s1 m
    下载: 导出CSV

    表  3  各点斜率均值及方差

    序号均值方差
    A2.260.0006996
    B1.620.0001518
    C2.570.0009223
    D1.360.0000011
    E2.290.0006722
    F1.580.0000471
    下载: 导出CSV
  • 张红梅, 赵建虎, 杨鲲, 等. 水下导航定位技术[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2010.

    ZHANG Hongmei, ZHAO Jianhu, YANG Kun, et al. Underwater Navigation and Positioning Technology[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2010.
    THOMSON D J M, DOSSO S E, and BARCLAY D R. Modeling AUV localization error in a long baseline acoustic positioning system[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2018, 43(4): 955–968. doi: 10.1109/joe.2017.2771898
    PAULL L, SAEEDI S, SETO M, et al. AUV navigation and localization: A review[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2014, 39(1): 131–149. doi: 10.1109/JOE.2013.2278891
    严浙平, 王璐. UUV水下定位方法的研究现状与进展[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2017, 38(7): 989–1000. doi: 10.11990/jheu.201608067

    YAN Zheping and WANG Lu. Research status and progress of UUV underwater localization[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(7): 989–1000. doi: 10.11990/jheu.201608067
    付进. 长基线定位信号处理若干关键技术研究[D]. [博士论文], 哈尔滨工程大学, 2007. doi: 10.7666/d.y1438308.

    FU Jin. Research on several key techniques of the signal processing for long baseline location[D]. [Ph.D. dissertation], Harbin Engineering University, 2007. doi: 10.7666/d.y1438308.
    RODIONOV A Y, DUBROVIN F S, UNRU P P, et al. Experimental research of distance estimation accuracy using underwater acoustic modems to provide navigation of underwater objects[C]. The 24th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg, Russia, 2017.
    MORENO-SALINAS D, PASCOAL A M, and ARANDA J. Multiple underwater target positioning with optimally placed acoustic surface sensor networks[J]. International Journal of Distributed Sensor, 2018, 14(5): 1550147718773234. doi: 10.1177/1550147718773234
    张旭, 孙翱, 韩旭, 等. 水下垂向运动目标的海底多基站声定位方法及精度分析[J]. 声学学报, 2019, 44(2): 155–169. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2019.02.002

    ZHANG Xu, SUN Ao, HAN Xu, et al. Acoustic localization scheme and accuracy analysis for underwater vertical motion target using multi-stations in the seabed[J]. Acta Acustica, 2019, 44(2): 155–169. doi: 10.15949/j.cnki.0371-0025.2019.02.002
    张光普. 导航定位通信一体化系统总体技术研究[D]. [博士论文], 哈尔滨工程大学, 2008. doi: 10.7666/d.y1438314.

    ZHANG Guangpu. Research on overall technology of the underwater navigation and location and communication incorporate system[D]. [Ph.D. dissertation], Harbin Engineering University, 2008. doi: 10.7666/d.y1438314.
    ALLOTTA B, CAITI A, CHISCI L, et al. An unscented Kalman filter based navigation algorithm for autonomous underwater vehicles[J]. Mechatronics, 2016, 39: 185–195. doi: 10.1016/j.mechatronics.2016.05.007
    ZHANG Jucheng, SHI Chunhao, SUN Dajun, et al. High-precision, limited-beacon-aided AUV localization algorithm[J]. Ocean Engineering, 2018, 149: 106–112. doi: 10.1016/j.oceaneng.2017.12.003
    曹俊, 郑翠娥, 孙大军, 等. 水下载体的声学定位系统测距误差分析[J]. 南京大学学报: 自然科学版, 2016, 52(5): 816–824. doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2016.05.007

    CAO Jun, ZHENG Cui’e, SUN Dajun, et al. Ranging error analysis of acoustic positioning system for underwater vehicle[J]. Journal of Nanjing University:Natural Sciences, 2016, 52(5): 816–824. doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2016.05.007
    张立川, 徐德民, 刘明雍, 等. 基于移动长基线的多AUV协同导航[J]. 机器人, 2009, 31(6): 581–585, 593. doi: 10.13973/j.cnki.robot.2009.06.017

    ZHANG Lichuan, XU Demin, LIU Mingyong, et al. Cooperative navigation of multiple AUVs using moving long baseline[J]. Robot, 2009, 31(6): 581–585, 593. doi: 10.13973/j.cnki.robot.2009.06.017
    孙微, 王方勇, 乔钢, 等. 基于长基线水声定位系统误差分析以及定位精度研究[J]. 声学与电子工程, 2016(2): 14–19, 24.

    SUN Wei, WANG Fangyong, QIAO Gang, et al. Research on error analysis and positioning accuracy based on long baseline underwater acoustic positioning system[J]. Acoustics and Electronics Engineering, 2016(2): 14–19, 24.
    张居成. 深水长基线定位导航技术研究[D]. [博士论文], 哈尔滨工程大学, 2014.

    ZHANG Jucheng. Research of deepwater LBL positoning and navigation technology[D]. [Ph.D. dissertation], Harbin Engineering University, 2014.
    李莉. 长基线阵测阵校阵技术研究[D]. [硕士论文], 哈尔滨工程大学, 2007. doi: 10.7666/d.y1098218.

    LI Li. Study on array measuring & calibration for long base line array[D]. [Master dissertation], Harbin Engineering University, 2007. doi: 10.7666/d.y1098218.
    李翔宇. 长基线高精度定位方法研究与实现[D]. [硕士论文], 哈尔滨工程大学, 2017.

    LI Xiangyu. Research and implementation of long base line high precision positioning[D]. [Master dissertation], Harbin Engineering University, 2017.
    TURETTA A, CASALINO G, SIMETTI E, et al. Analysis of the accuracy of a LBL-based underwater localization procedure[C]. 2014 Oceans, St. John's, Canada, 2015. doi: 10.1109/OCEANS.2014.7003093.
    TONG Jinwu, XU Xiaosu, HOU Lanhua, et al. An ultra-short baseline positioning model based on rotating array & reusing elements and its error analysis[J]. Sensors, 2019, 19(20): 4373. doi: 10.3390/s19204373
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-17
  • 修回日期:  2020-03-15
  • 网络出版日期:  2020-04-16
  • 刊出日期:  2020-07-23

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