基于广播通信的多AUV协同导航技术研究

This project is focused on the cooperative navigation of multiple autonomous underwater vehicles (AUVs) based on broadcast communication. Due to the fact that navigation error growing、the clock excursion and the underwater acoustic communication signals have many problems, e.g., low data rate, narrow bandwidth, multi-path effect, etc, the leader AUVs will not gratify the need of long-playing、high-precision navigation, the error when measuring distance will be inestimable, the AUVs' order will be difficult to keep and the communication will be disordered.. In this project , we will accomplish following research: (1)the model and arithmetic within the leader AUVs、the leader and follower AUVs based on broadcast communication; (2)the arithmetic of time synchronization within the leader AUVs、the leader and follower AUVs; (3) the impact of the follower AUVs' order on navigation precision; (4)the arithmetic about error amending of the multiple AUVs, and resolve many problems, e.g., reducing the speed of the navigation error growing of leader AUVs、advantaging communication and achieving the time synchronization、error convergent within AUVs. As a result, it will improve the navigation precision of all AUVs. At last, a stable and feasible multiple AUVs cooperation navigation strategy is proposed, which is scalable of the numbers of the followers and only requires simple communication, to gratify the need of large-scale、long-playing deep-sea exploration.

本项目研究基于广播通信的多AUV协同导航问题。由于AUV自主定位误差随时间增大、自身时钟存在漂移，以及AUV间信息传播的载体水声信号存在数据率低、带宽窄、误码率高、多路径效应等原因，易造成领航AUV无法满足长航时高精度辅助定位需求、依靠单程通讯时延测距误差大、队形难以维持、通信混乱等。. 本项目拟通过研究：（1）广播模式下领航AUV间、领航与跟随AUV间的协同导航模型与算法；（2）领航AUV间、领航与跟随AUV间的时间同步算法；（3）领航AUV队形对整体定位精度的影响；（4）多AUV协作系统定位误差后处理修正算法等。进而解决领航AUV误差随时间发散快、信息流转复杂、AUV间时钟不同步等问题，实现AUV编队的定位误差抑制及趋同，提高AUV编队整体定位精度。建立一种跟随AUV数量不受限制，通信简单、易实现的多AUV协同导航方案，满足深远海、大范围、长时间、隐蔽探测的需求。

海洋是人类发展的四大战略空间（陆、海、空、天）中继陆地之后的第二大空间，多自主水下航行器（AUV）协作系统可实现单AUV难以完成的复杂任务，是海洋开发利用和安全保障的重要工具。.高精度的导航定位是多AUV协作系统顺利完成任务的基础。本课题以深海、长航时、大范围、隐蔽作业的多AUV协作系统对导航精度的需求为切入点，围绕领航、跟随AUV协同导航以及领航AUV协同导航技术展开研究，取得的主要研究成果如下：.1） 针对基于广播通信的跟随AUV处理定时异步导航信息的协同导航问题，根据移动长基线导航理论，提出并建立了虚拟移动长基线协同导航模型，在充分分析了基于距离量测的协同导航可观测性和一致性基础上，设计了约束条件下的一致性EKF估计算法，消除协同定位系统的不一致性问题，提高了系统的导航定位精度；.2）针对领航AUV之间的时钟不同步问题，通过建立时钟相对偏移与相对漂移模型，利用领航AUV广播信息，对模型参数进行估计，消除了领航AUV之间的时钟偏差；.3）针对领航AUV与跟随AUV间的时钟不同步问题，将跟随AUV的时钟偏差作为未知量，提出了一种考虑时钟同步问题的多AUV协同定位算法，实现了所有AUV间的时统；.4）针对领航AUV间协同导航问题，以2个领航AUV为例，分别就领航者的两种典型相对运动状态，即两者航向相同、相对速度变化和航向不同，设计了基于最优估计理论和几何定位的领航AUV间协同导航算法，并初步得到了滤波时机、领航AUV间相对距离等与系统状态可观测性的关系，实现了领航AUV位置误差趋同；.5）针对多AUV协同导航的队形优化问题，基于克拉美罗下界和费舍尔信息矩阵理论建立了定位性能评价函数，通过评价函数极大化求解了量测误差与距离相关和不相关时性能最优的相对队形结构，并分析了定位系统在接近最优队形下相对于距离值和分离角的敏感变化问题，同时还分析了考虑先验位置信息不确定性影响的协同定位最优队形结构；.6）针对多AUV协作系统在无GPS等辅助下自主导航定位误差随航程逐渐增大的问题，提出一种基于逆向导航的协同导航算法，充分利用了其浮出水面后能够获得卫星定位信息的特点，有效降低了协作系统工作后半段的定位误差；.7）通过水库、湖上等外场试验，对协同导航算法设计过程中诸如水声测距误差等关键性假设的合理性进行了验证。.本项目的研究成果，为后续多AUV协作系统的工程研制提供了理论和技术支持。