北斗衛星導航系統在AUV中的應用研究

王永鼎,李華南,錢瑩娟

(上海海洋大學 工程學院,上海 201306)

0　引　言

北斗衛星導航系統(BDS)是中國自主建設、獨立運行,且能夠與美國GPS系統、俄羅斯的GLONASS系統、歐盟的GALILEO系統相互兼容、相互共用的全球衛星導航系統。另外,該系統還可以在全球范圍內為各類型用戶提供精度高、可靠性能好的定位導航及授時服務的同時,具有獨特的短報文通信能力[1-2]。經過多年的發展,北斗導航系統的定位導航技術不斷完善,其定位導航性能越來越好。隨著北斗系統應用標準化發展戰略的提出,更加推動了北斗導航系統在農業、氣象、林業、電力以及智能城市與交通等關鍵行業的全面應用[3]。

張榮群等[4]論述了北斗導航系統在農業領域的應用現狀,研究了北斗導航系統與其他形式的農業感知器技術集成后的應用潛力。黃維[5]設計了一套基于北斗導航系統的抗震救災應急指揮系統,該系統平臺,集最新的通信與圖像傳輸、衛星導航、測繪信息以及計算機等技術為一體,基本可以實時為災區提供導航定位服務。于淵等[6]從北斗導航相關技術發展的層面,對北斗導航系統在國內智能交通領域的應用現狀及趨勢進行了分析與探討。楊東凱等[7]利用北斗導航衛星的反射信號對地觀測,將其應用在海風海浪觀測中,為北斗導航系統應用提供了一個新型的應用方向。王冠生等[8]提出將北斗導航系統應用在城市管理上,推進城市管理的互聯化、智能化,形成城市的智能交通、智慧社區及智慧管理。

自主式水下無人潛水器(AUV)是一種半智能化集成系統,可以自主航行,可以根據執行任務的具體要求,對各機械模塊優化組合。AUV作為一種簡單有效的海洋工具,為人類對海洋資源開發、探索,及海洋工程技術與裝備的研究,提供了諸多便利,并伴隨著能源與水聲、控制與導航技術的進步,得到了廣泛應用[9-10]。其中,水下AUV的導航定位技術,至為關鍵。結合北斗系統的快速定位、簡短通訊和精密授時功能,可以將其應用在AUV的導航定位中,為AUV提供更加準確的定位導航,并賦予通信能力。

1　AUV應用北斗導航定位系統的基本工作原理

1.1　AUV水下導航定位技術

針對AUV在不同的水域深度執行作業,AUV所使用的導航定位技術方式不同。在工作水域深度小于300 m的近海面區域,可以使用無線電導航和衛星導航技術;在300 m至2000 m深度的中間層區域,由于無線電磁波在以海水為介質傳播時,信號衰減非常明顯,無法接收衛星廣播信號,因此該區域一般使用重力場輔助導航、地磁輔助導航、慣性導航等導航技術對AUV進行導航定位;在距離海底小于100 m的海底區域,可以利用海底地形匹配進行導航[11]。表1示出AUV執行水下作業任務時,在各水域深度使用不同導航定位技術的性能對比。

聯系人: 李華南 E-mail:hua-zi91@sina.cn

通過與表1的對比,可以清晰得出,AUV工作在水深小于300 m的近海面水域使用北斗衛星導航系統進行導航定位,不僅可以直接接收衛星導航定位信息,而且實時性好,導航定位誤差小,精度高。

1.2　北斗衛星導航系統構成

北斗衛星導航系統根據各組成部分的空間位置以及功能分布,可以簡單分為空間衛星端、地面控制端以及用戶終端。北斗衛星導航系統各部分組成如圖1所示。地球同步軌道衛星與低中軌道衛星兩種衛星共同組成系統的空間衛星端,其作用主要是作為無線電信號的中轉站,全天候、全天時地中繼并傳播地面控制端和用戶終端的雙向信號。地面控制端則是北斗導航系統核心樞紐,是整個系統的管理與控制中樞,對于所有傳輸的數據信息計算與處理都集中在中心站完成。整個北斗導航系統的運行狀態以及無線電信號的發送與接收,都由地面控制端負責協調與監督。用戶終端則是用戶直接使用的裝置,一般都具有應答電文能力的設備,用于接收地面控制端通過空間衛星端北斗衛星轉發的信號[12]。以上三部分構成的北斗衛星導航系統不僅可在全地球范圍內發送衛星信號,還可以全天持續地為地球各類型接收機終端用戶提供衛星導航服務。

1.3　應用北斗系統的AUV定位基本原理

當AUV在近海面水域工作時,使用北斗導航系統進行導航定位,安裝在AUV上的北斗信號接收機直接接收北斗導航衛星傳輸的數據信息。設AUV的坐標為(X0,Y0,Z0)為未知參數,而用于定位的空間衛星端衛星的瞬時位置坐標為已知值,分別為(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,4,以已知衛星坐標為圓心,以衛星坐標到AUV坐標的距離為半徑,采用三維空間距離交會的方法,最終確定出AUV的三維空間坐標位置,具體計算公式如下:

[(X1-X0)2+(Y1-Y0)2+(Z1-

Z0)2]1/2+C(Vt1-Vt0)=D1，

(1)

[(X2-X0)2+(Y2-Y0)2+(Z2-

Z0)2]1/2+C(Vt2-Vt0)=D2，

(2)

[(X3-X0)2+(Y3-Y0)2+(Z3-

Z0)2]1/2+C(Vt3-Vt0)=D3，

(3)

[(X4-X0)2+(Y4-Y0)2+(Z4-

Z0)2]1/2+C(Vt4-Vt0)=D4，

(4)

Di=CΔti(i=1,2,3,4)

其中:C為光速,即信號的傳播速度;Di為距離,衛星與AUV之間的距離; Δti為時間,即衛星信號到達AUV信號接收裝置的時間;Vti為衛星時鐘差,由衛星星歷提供;Vt0為AUV時鐘差。

公式(1)～(4)中,只有四個位置參數X0、Y0、Z0以及Vt0,聯立這四個方程式,便可以解算出AUV的空間位置(X0,Y0,Z0)以及北斗衛星信號接收裝置的時鐘差Vt0.

2　北斗衛星導航系統在AUV中的具體應用

2.1　AUV系統組成結構

根據使用環境、工作用途以及研發團隊的設計風格不同,國內外公開的AUV外形設計各不相同,主要有回轉體形、立扁形、扁平形、多體形和魚雷形等外形形式,其中以魚雷形的AUV外形最多。針對AUV機械設計的發展趨勢,主要是朝著遠程化、深海化、智能化、標準化以及模塊化發展[13-15]。AUV機械結構模塊化生產,不僅可以提升自主水下機器人的標準化應用進程,還可以提高使用的方便性和通用性。AUV研制風險減低,縮短研發周期的同時,節省研發時間以及人力資源。各機械結構模塊之間相對獨立,生產、維護過程便捷高效,可以大大增強互換性[14]。AUV機械結構模塊化設計,根據各模塊承載功能的不同,可以設計為四個部分,分別為艏部、能源段、控制導航段與艉部。AUV四個不同模塊如圖2所示。

AUV的四個模塊,分別具有不同的功能。艏部主要負責AUV溫度信息采集、水下拍攝及照明等,能源段為整體機械機構提供能源,保障AUV有充足的電量完成目標任務,艉部是放置推進器的地方,并控制AUV的行駛方向姿態等。控制導航段是AUV整個機械結構的“心臟”,主要作用是實現和協調AUV在水下的運動,完成與操縱平臺的信息傳遞,接收和獲取自主式水下機器人的位置和姿態、對底航行高度、速度、深度以及加速度等基本信息,AUV通過這些信息,實現導航定位,完成預先設置的任務。

2.2　基于北斗系統的AUV定位導航控制流程

AUV在近海面水域執行工作時,控制導航段實時接收北斗衛星導航系統傳輸的數據信息。接收的數據信息通過AUV的遙控指令模塊按照遙控協議進行濾波等處理,提取有效的指令信息,并將有效的指令信息傳送給水下自主機器人自帶的航行控制模塊。航行控制模塊根據接收到的指令信息,執行相應的動作,完成運動控制。AUV完成動作之后,其自身狀態信息需要通過AUV航行控制模塊反饋至狀態報告模塊,狀態報告模塊將狀態信息按照遙控協議進行編碼處理,并經過通信模塊發送至AUV用戶端。AUV用戶端將位置等信息數據經空間衛星端的北斗衛星發送至地面控制端。地面控制端接收AUV經北斗導航衛星傳輸的數據,先按照遙控協議進行處理,提取出有效的AUV狀態指令信息。AUV決策控制模塊根據這些經過指令生成模塊處理的有效的狀態指令信息,制定下一步的控制指令[16-17]。制定好的控制指令傳送至指令生成模塊,經過狀態分析模塊處理,并由北斗衛星通信模塊將信息數據經北斗衛星發送至AUV用戶端。由此完成雙工通訊,實現AUV狀態的實時數據傳輸、實時控制,實現精準的AUV的定位導航等。整個控制過程的流程邏輯如圖3所示。

2.3　北斗系統的AUV硬件設計

北斗導航系統在AUV近海面水域進行巡航時,主要涉及到通信模塊、定位導航系統、制導系統、能源驅動模塊以及控制系統等系統模塊。各個系統模塊相互配合協調,只有保證全部正常運轉的情況下,AUV才能精確執行水下作業任務,滿足使用要求。

基于北斗導航系統的AUV,利用北斗定位系統快速定位和地理信息系統(GIS)實時解算出運動中AUV的具體位姿信息。AUV的制導系統根據北斗衛星導航系統對AUV的位置與姿態等相關信息參數輸出,協調AUV當前執行的作業任務,為AUV規劃出最優的航行路線。制導系統完成路徑規劃后,AUV控制系統控制能源驅動機構驅動相應機構調整航行方向和速度,最后按照制導系統規劃好的路徑進行航行。硬件設計如圖4所示。

硬件系統設計過程中,控制系統是北斗衛星導航系統AUV的核心系統,也是連接整個AUV系統各個部件的綜合樞紐,控制著各部件完成相應的動作,主要處理制導系統的響應輸入并給出相應的輸出指令信號,控制推進器轉向電機正反轉,完成操作者預先設置的作業命令。

3　應用北斗導航系統的AUV驗證

在硬件系統設計的基礎上,搭建使用北斗導航系統的AUV平臺。為了驗證搭載北斗導航定位系統的AUV基本航行功能以及定位導航性能,分別就AUV的自主定向巡航以及自主定速巡航進行試驗驗證。

3.1　自主定向巡航

給定應用北斗導航系統的AUV航行航向角,使其按照該航向角自主巡航,即便AUV航行過程中,受到擾動偏離原航線,仍能快速回到預設航向上。預先設定航向角為0°,使其保持直行一段距離,然后調整航向角為90°.驗證過程中,AUV定位準確,運行平穩,能夠快速回到期望航向上,實際航向與期望航向基本保持一致。圖5示出了依照仿真測驗實際航向數據與預先設定的期望航向繪制的對比曲線。

3.2　自主定速巡航

設定使用北斗導航系統的AUV恒定的航行速度,并以該航速執行定速巡航,對比預設航速與AUV實際航速之間的差異。通過對比,可以清楚地了解到應用北斗衛星導航系統的AUV自主定速巡航和期望值相差不大,即使有差異,也能迅速維持穩定航行。預設自主巡航速度與實際巡航速度曲線如圖6所示。

4　結束語

本文從應用角度出發,對比分析了AUV水下導航定位的主要技術以及性能特點,提出AUV在近海面區域航行時,采用北斗衛星導航系統進行導航定位具有精度高、實時性好等優點。同時,研究了北斗衛星導航系統應用在AUV上,實現定位導航的基本原理。緊跟目前AUV機械結構模塊化發展趨勢,探討了AUV模塊中導航控制段應用北斗系統進行定位導航的控制流程邏輯以及硬件設計搭建。最后,對基于北斗導航系統的AUV硬件平臺進行自主定向巡航和自主定速巡航驗證,得出應用北斗導航系統進行導航定位的AUV運行平穩,基本符合設計使用要求,可以為水下AUV在近海面區域提供精確的導航定位信息。隨著北斗衛星導航系統衛星端衛星數量的不斷增加、設備的不斷升級改進以及定位精度的逐步提高,基于北斗衛星定位系統的應用領域必將更加廣闊,在水下AUV中的應用也會更加普遍。

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