一種考慮時鐘同步問題的多AUV協同定位算法

張福斌, 張小龍, 馬 朋

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一種考慮時鐘同步問題的多AUV協同定位算法

張福斌, 張小龍, 馬 朋

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

在多自主水下航行器(multi-AUVs)協同導航系統中, 領航AUVs配備高精度導航定位設備, 跟隨AUVs配備低精度導航設備, 領航、跟隨AUVs均配備水聲通信設備, 跟隨AUVs利用領航AUVs的廣播信息獲得其與領航者間的距離。本文針對領航AUVs與跟隨AUVs間的時鐘不同步問題, 給出了AUV時鐘相對偏移與相對漂移模型, 并將跟隨AUVs的時鐘偏差作為未知量, 提出了一種考慮時鐘同步問題的multi-AUVs協同定位算法。仿真結果表明, 該算法不僅可以大幅度提高跟隨AUVs的協同定位精度, 而且能夠隨時對跟隨AUVs時鐘誤差進行估計, 有效地提高了multi-AUVs協同導航系統性能。

多自主水下航行器; 時鐘同步; 協同導航

0 引言

在多自主水下航行器(multiple autonmous un- derwater vehicles, multi-AUVs)協同導航定位系統中, 利用水聲通信技術測量AUVs間相對位置關系, 提高系統整體定位精度, 已成為國內外AUV導航定位領域重點研究的問題。

2005年, Curcio等利用時間同步信號和水聲傳播延遲的方法進行了相對位置測量, 對1個領航者、2個跟隨者進行了試驗, 并進行了誤差分析[1]; Bahr等應用卡爾曼濾波對領航-跟隨式多AUV協同定位方法進行了研究, 并進行了試驗驗證[2]。2008年, 張立川等在測量水聲傳播延遲的條件下, 對多AUV協同導航算法進行了研究[3]; Yao Yao等研究了多AUV間的位置關系對協同定位精度的影響[4]。

由于水下AUVs間通信頻帶受限的特點, 同時為了降低AUV功耗, 提高數據更新速率, 一般采取單向水聲通信測距(one way travel time, OWTT)的模式[5-6]。單向測距法要求所有AUV內部時鐘時刻保持同步, 雖然AUV出航前可通過GPS授時的方式實現, 但隨著時間的增加, AUV內部時鐘必然會產生漂移, 從而對水聲測距精度造成影響, 進而影響AUV的定位精度。

AUVs間的時鐘同步包括: 領航AUVs間的時鐘同步和領航、跟隨AUVs間的時鐘同步2個方面。領航AUVs由于數量少, 內部時鐘精度較高, 故可采取雙向水聲通信方式實現之間的時鐘同步; 而跟隨AUVs數量一般較多, 內部時鐘精度較低, 如果仍采用領航AUVs間的時鐘同步方法, 由于受水下通信帶寬較窄等因素制約, 實現困難。本文針對多AUV協作系統中跟隨AUVs隨著航行時間增加出現的時鐘不同步問題, 給出了跟隨AUVs時鐘相對偏移與相對漂移模型, 并將AUVs間時鐘差作為未知量帶入定位方程, 利用非線性加權最小二乘算法進行求解。最后通過數學仿真試驗驗證了算法的有效性。在多AVU協同定位系統中, 領航AUVs間也存在時鐘同步問題, 但非本文研究重點, 則另文重點分析。

1 時鐘模型

AUV時鐘通常是利用晶體振蕩器脈沖來度量[7], 即

在多AUV協同過程中, 即使AUVs間時鐘誤差不大, 但是經過與水下聲速的相乘, 也會產生很大的測距誤差, 影響AUVs協同定位精度, 因而AUVs間的時鐘同步在利用OWTT法進行協同定位的過程中必須加以考慮。

2 AUVs間時鐘同步

AUVs間時鐘同步過程中, 并不要求AUV時鐘均與標準物理時鐘相同步, 而是要求各AUVs間時鐘保持一致, 即可認為AUVs間時鐘是同步的。假定c()為AUV領航時鐘,c()為AUV跟隨時鐘,c()為標準物理時鐘, 從而有

領航AUVs時鐘

跟隨AUVs時鐘

則領航AUVs時鐘與跟隨AUVs時鐘差

從式(5)可知, 領航AUVs時鐘與跟隨AUVs時鐘差既有因初始時刻不同步而產生的相對偏移, 又有因晶振頻率不同而產生的相對漂移。然而, 在多AUV協同過程中, 不論AUVs間時鐘存在相對偏移還是相對漂移, 均可將其時鐘差作為一整體未知量加以考慮。

3 時鐘同步的多AUV協同定位算法

AUVs協同定位過程中, 由于AUV深度狀態可利用深度傳感器直接精確測得, 3D運動模型通過在水平面內投影可轉化為2D運動模型, 因此為得到AUV位置狀態只需確定其經度、緯度信息。再考慮作為未知量的領航AUVs與跟隨AUVs間時鐘差, 可知在利用非線性加權最小二乘算法進行協同定位計算過程中, 所需確定的未知量共有3個(經度、緯度和時鐘差), 為了保證定位方程可解, 則需從3個或3個以上領航AUVs處獲得距離量測信息。對于1個或2個領航AUVs構成的協同定位系統, 可利用構建虛擬基點的方法進行求解[9]。

本文假設領航AUVs間已實現時鐘同步, 領航AUVs與跟隨AUVs保持圖1所示隊形(跟隨AUVs處在3個領航AUVs構成的等邊三角形中心)。

圖1 多自主水下航行器協同定位隊形示意圖

在利用OWTT進行多AUV協同定位過程中, 利用領航、跟隨AUVs間水聲信號的單程傳播延時即可獲得AUVs間的相對距離量測值。若領航AUVs和跟隨AUVs間時鐘同步, 即兩時鐘同頻同相, 或已知相差, 則可得領航、跟隨AUVs間的量測距離

(8)

式中

實現跟隨AUVs自定位位置的實時修正。

4 仿真結果與分析

為了驗證協同定位算法的有效性, 進行系列仿真試驗。在下述試驗中考察由4個AUVs組成的協同定位編隊, 領航、跟隨AUVs均做2D平面運動, 其運動隊形如圖1所示。仿真設置如下。

圖中給出了AUVs運動軌跡、跟隨AUV的定位軌跡、跟隨AUV經過修正后的協同定位誤差、跟隨AUV時鐘誤差的計算情況。從圖中可以看出, 跟隨AUV在自定位存在較大誤差的情況下, 通過利用領航AUVs進行協同定位, 可以獲得較高的定位精度。

圖3 時鐘偏移下的仿真結果

圖4給出了多AUV運動軌跡、跟隨AUV的定位軌跡、跟隨AUV經過修正后的協同定位誤差以及同時存在相對偏移和相對漂移下的AUV時鐘誤差估計與估計誤差。從圖中可以看出, 當相對偏移量和相對漂移量同時存在時, 跟隨AUV同樣可以獲得比較準確的定位精度。

由以上2次仿真結果得出, 無論AUVs間時鐘存在相對偏移還是相對漂移, 在將時鐘誤差作為未知量進行考慮時, 本文所設計算方法不僅可以得到理想的協同定位精度, 而且能夠隨時對AUVs間時鐘誤差進行估計與修正, 有效地提高了AUVs協同定位效能。

圖4 時鐘偏移及漂移下的仿真結果

5 結束語

本文針對多AUV協同定位系統中AUVs間時鐘不同步問題, 建立了AUVs時鐘同步模型, 將時鐘差作為未知量, 設計了基于加權最小二乘的AUVs協同定位算法, 最后進行了仿真驗證。仿真結果表明, 所提算法可以有效地對AUVs間時鐘誤差進行估計及修正, 提高了多AUV協同定位精度。

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[3] 張立川, 劉明雍, 徐德民, 等. 基于水聲傳播延遲的主從式多無人水下航行器協同導航定位研究[J]. 兵工學報, 2009, 30(12): 1674-1678.Zhang Li-chuan, Liu Ming-yong, Xu De-min, et al. Co- operative Localization for Multi-UUVs Based on Time-of- flight of Acoustic Signal[J]. Acta Armamentarii, 2009, 30 (12): 1674-1678.

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[6] Eustice R, Whitcomb L, Singh H, et al. Recent Advances in Synchronous-Clock One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation[C]//Proceedings of the 2006 IEEE/MTS Oce- ans Conference, IEEE, 2006: 1-6.

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[9] 馬朋. 基于廣播通信的多AUV協同定位技術研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2013.

An Algorithm of Multi-AUVs Cooperative Location Considering Clock Synchronization

ZHANG Fu-bin, ZHANG Xiao-long, MA Peng

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

In the multi-AUVs cooperative navigation system, the leader AUVs are equipped with high-precision navigation and location equipments, the follower AUVs are equipped with low-precision navigation equipments, the leader AUVs and the follower AUVs are all equipped with underwater acoustic modem, and the follower AUVs use the broadcast information from the leader AUVs to obtain the distance to the leader AUVs. This paper aims at the clock asynchrony between the leader and follower AUVs to establish a relative offset model and a relative drift model of AUV clock. By taking the clock offset of a follower AUVs as unknown variable, a multi-AUVs cooperative location algorithm considering clock synchronization is proposed. Simulation results show that the algorithm can greatly improve the location accuracy of the follower AUVs and estimate the clock error of the follower AUVs at any time, thus enhance the performance of the multi-AUVs cooperative navigation system effectively.

multiple autonomous underwater vehicle; clock synchronization; cooperative navigation

TJ630.33; TP391

A

1673-1948(2013)05-0355-05

2013-04-02;

2013-05-22.

國家自然科學基金(6127333).

張福斌(1972-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向為水下航行器導航與控制技術.

(責任編輯: 楊力軍)