北斗卫星导航系统在AUV中的应用研究

王永鼎,李华南,钱莹娟

(上海海洋大学 工程学院,上海 201306)

0　引　言

北斗卫星导航系统(BDS)是中国自主建设、独立运行,且能够与美国GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的GALILEO系统相互兼容、相互共用的全球卫星导航系统。另外,该系统还可以在全球范围内为各类型用户提供精度高、可靠性能好的定位导航及授时服务的同时,具有独特的短报文通信能力[1-2]。经过多年的发展,北斗导航系统的定位导航技术不断完善,其定位导航性能越来越好。随着北斗系统应用标准化发展战略的提出,更加推动了北斗导航系统在农业、气象、林业、电力以及智能城市与交通等关键行业的全面应用[3]。

张荣群等[4]论述了北斗导航系统在农业领域的应用现状,研究了北斗导航系统与其他形式的农业感知器技术集成后的应用潜力。黄维[5]设计了一套基于北斗导航系统的抗震救灾应急指挥系统,该系统平台,集最新的通信与图像传输、卫星导航、测绘信息以及计算机等技术为一体,基本可以实时为灾区提供导航定位服务。于渊等[6]从北斗导航相关技术发展的层面,对北斗导航系统在国内智能交通领域的应用现状及趋势进行了分析与探讨。杨东凯等[7]利用北斗导航卫星的反射信号对地观测,将其应用在海风海浪观测中,为北斗导航系统应用提供了一个新型的应用方向。王冠生等[8]提出将北斗导航系统应用在城市管理上,推进城市管理的互联化、智能化,形成城市的智能交通、智慧社区及智慧管理。

自主式水下无人潜水器(AUV)是一种半智能化集成系统,可以自主航行,可以根据执行任务的具体要求,对各机械模块优化组合。AUV作为一种简单有效的海洋工具,为人类对海洋资源开发、探索,及海洋工程技术与装备的研究,提供了诸多便利,并伴随着能源与水声、控制与导航技术的进步,得到了广泛应用[9-10]。其中,水下AUV的导航定位技术,至为关键。结合北斗系统的快速定位、简短通讯和精密授时功能,可以将其应用在AUV的导航定位中,为AUV提供更加准确的定位导航,并赋予通信能力。

1　AUV应用北斗导航定位系统的基本工作原理

1.1　AUV水下导航定位技术

针对AUV在不同的水域深度执行作业,AUV所使用的导航定位技术方式不同。在工作水域深度小于300 m的近海面区域,可以使用无线电导航和卫星导航技术;在300 m至2000 m深度的中间层区域,由于无线电磁波在以海水为介质传播时,信号衰减非常明显,无法接收卫星广播信号,因此该区域一般使用重力场辅助导航、地磁辅助导航、惯性导航等导航技术对AUV进行导航定位;在距离海底小于100 m的海底区域,可以利用海底地形匹配进行导航[11]。表1示出AUV执行水下作业任务时,在各水域深度使用不同导航定位技术的性能对比。

联系人: 李华南 E-mail:hua-zi91@sina.cn

通过与表1的对比,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卫星导航系统进行导航定位,不仅可以直接接收卫星导航定位信息,而且实时性好,导航定位误差小,精度高。

1.2　北斗卫星导航系统构成

北斗卫星导航系统根据各组成部分的空间位置以及功能分布,可以简单分为空间卫星端、地面控制端以及用户终端。北斗卫星导航系统各部分组成如图1所示。地球同步轨道卫星与低中轨道卫星两种卫星共同组成系统的空间卫星端,其作用主要是作为无线电信号的中转站,全天候、全天时地中继并传播地面控制端和用户终端的双向信号。地面控制端则是北斗导航系统核心枢纽,是整个系统的管理与控制中枢,对于所有传输的数据信息计算与处理都集中在中心站完成。整个北斗导航系统的运行状态以及无线电信号的发送与接收,都由地面控制端负责协调与监督。用户终端则是用户直接使用的装置,一般都具有应答电文能力的设备,用于接收地面控制端通过空间卫星端北斗卫星转发的信号[12]。以上三部分构成的北斗卫星导航系统不仅可在全地球范围内发送卫星信号,还可以全天持续地为地球各类型接收机终端用户提供卫星导航服务。

1.3　应用北斗系统的AUV定位基本原理

当AUV在近海面水域工作时,使用北斗导航系统进行导航定位,安装在AUV上的北斗信号接收机直接接收北斗导航卫星传输的数据信息。设AUV的坐标为(X0,Y0,Z0)为未知参数,而用于定位的空间卫星端卫星的瞬时位置坐标为已知值,分别为(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,4,以已知卫星坐标为圆心,以卫星坐标到AUV坐标的距离为半径,采用三维空间距离交会的方法,最终确定出AUV的三维空间坐标位置,具体计算公式如下:

[(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为光速,即信号的传播速度;Di为距离,卫星与AUV之间的距离; Δti为时间,即卫星信号到达AUV信号接收装置的时间;Vti为卫星时钟差,由卫星星历提供;Vt0为AUV时钟差。

公式(1)～(4)中,只有四个位置参数X0、Y0、Z0以及Vt0,联立这四个方程式,便可以解算出AUV的空间位置(X0,Y0,Z0)以及北斗卫星信号接收装置的时钟差Vt0.

2　北斗卫星导航系统在AUV中的具体应用

2.1　AUV系统组成结构

根据使用环境、工作用途以及研发团队的设计风格不同,国内外公开的AUV外形设计各不相同,主要有回转体形、立扁形、扁平形、多体形和鱼雷形等外形形式,其中以鱼雷形的AUV外形最多。针对AUV机械设计的发展趋势,主要是朝着远程化、深海化、智能化、标准化以及模块化发展[13-15]。AUV机械结构模块化生产,不仅可以提升自主水下机器人的标准化应用进程,还可以提高使用的方便性和通用性。AUV研制风险减低,缩短研发周期的同时,节省研发时间以及人力资源。各机械结构模块之间相对独立,生产、维护过程便捷高效,可以大大增强互换性[14]。AUV机械结构模块化设计,根据各模块承载功能的不同,可以设计为四个部分,分别为艏部、能源段、控制导航段与艉部。AUV四个不同模块如图2所示。

AUV的四个模块,分别具有不同的功能。艏部主要负责AUV温度信息采集、水下拍摄及照明等,能源段为整体机械机构提供能源,保障AUV有充足的电量完成目标任务,艉部是放置推进器的地方,并控制AUV的行驶方向姿态等。控制导航段是AUV整个机械结构的“心脏”,主要作用是实现和协调AUV在水下的运动,完成与操纵平台的信息传递,接收和获取自主式水下机器人的位置和姿态、对底航行高度、速度、深度以及加速度等基本信息,AUV通过这些信息,实现导航定位,完成预先设置的任务。

2.2　基于北斗系统的AUV定位导航控制流程

AUV在近海面水域执行工作时,控制导航段实时接收北斗卫星导航系统传输的数据信息。接收的数据信息通过AUV的遥控指令模块按照遥控协议进行滤波等处理,提取有效的指令信息,并将有效的指令信息传送给水下自主机器人自带的航行控制模块。航行控制模块根据接收到的指令信息,执行相应的动作,完成运动控制。AUV完成动作之后,其自身状态信息需要通过AUV航行控制模块反馈至状态报告模块,状态报告模块将状态信息按照遥控协议进行编码处理,并经过通信模块发送至AUV用户端。AUV用户端将位置等信息数据经空间卫星端的北斗卫星发送至地面控制端。地面控制端接收AUV经北斗导航卫星传输的数据,先按照遥控协议进行处理,提取出有效的AUV状态指令信息。AUV决策控制模块根据这些经过指令生成模块处理的有效的状态指令信息,制定下一步的控制指令[16-17]。制定好的控制指令传送至指令生成模块,经过状态分析模块处理,并由北斗卫星通信模块将信息数据经北斗卫星发送至AUV用户端。由此完成双工通讯,实现AUV状态的实时数据传输、实时控制,实现精准的AUV的定位导航等。整个控制过程的流程逻辑如图3所示。

2.3　北斗系统的AUV硬件设计

北斗导航系统在AUV近海面水域进行巡航时,主要涉及到通信模块、定位导航系统、制导系统、能源驱动模块以及控制系统等系统模块。各个系统模块相互配合协调,只有保证全部正常运转的情况下,AUV才能精确执行水下作业任务,满足使用要求。

基于北斗导航系统的AUV,利用北斗定位系统快速定位和地理信息系统(GIS)实时解算出运动中AUV的具体位姿信息。AUV的制导系统根据北斗卫星导航系统对AUV的位置与姿态等相关信息参数输出,协调AUV当前执行的作业任务,为AUV规划出最优的航行路线。制导系统完成路径规划后,AUV控制系统控制能源驱动机构驱动相应机构调整航行方向和速度,最后按照制导系统规划好的路径进行航行。硬件设计如图4所示。

硬件系统设计过程中,控制系统是北斗卫星导航系统AUV的核心系统,也是连接整个AUV系统各个部件的综合枢纽,控制着各部件完成相应的动作,主要处理制导系统的响应输入并给出相应的输出指令信号,控制推进器转向电机正反转,完成操作者预先设置的作业命令。

3　应用北斗导航系统的AUV验证

在硬件系统设计的基础上,搭建使用北斗导航系统的AUV平台。为了验证搭载北斗导航定位系统的AUV基本航行功能以及定位导航性能,分别就AUV的自主定向巡航以及自主定速巡航进行试验验证。

3.1　自主定向巡航

给定应用北斗导航系统的AUV航行航向角,使其按照该航向角自主巡航,即便AUV航行过程中,受到扰动偏离原航线,仍能快速回到预设航向上。预先设定航向角为0°,使其保持直行一段距离,然后调整航向角为90°.验证过程中,AUV定位准确,运行平稳,能够快速回到期望航向上,实际航向与期望航向基本保持一致。图5示出了依照仿真测验实际航向数据与预先设定的期望航向绘制的对比曲线。

3.2　自主定速巡航

设定使用北斗导航系统的AUV恒定的航行速度,并以该航速执行定速巡航,对比预设航速与AUV实际航速之间的差异。通过对比,可以清楚地了解到应用北斗卫星导航系统的AUV自主定速巡航和期望值相差不大,即使有差异,也能迅速维持稳定航行。预设自主巡航速度与实际巡航速度曲线如图6所示。

4　结束语

本文从应用角度出发,对比分析了AUV水下导航定位的主要技术以及性能特点,提出AUV在近海面区域航行时,采用北斗卫星导航系统进行导航定位具有精度高、实时性好等优点。同时,研究了北斗卫星导航系统应用在AUV上,实现定位导航的基本原理。紧跟目前AUV机械结构模块化发展趋势,探讨了AUV模块中导航控制段应用北斗系统进行定位导航的控制流程逻辑以及硬件设计搭建。最后,对基于北斗导航系统的AUV硬件平台进行自主定向巡航和自主定速巡航验证,得出应用北斗导航系统进行导航定位的AUV运行平稳,基本符合设计使用要求,可以为水下AUV在近海面区域提供精确的导航定位信息。随着北斗卫星导航系统卫星端卫星数量的不断增加、设备的不断升级改进以及定位精度的逐步提高,基于北斗卫星定位系统的应用领域必将更加广阔,在水下AUV中的应用也会更加普遍。

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告(2.1版)[J].卫星应用,2013(1):9-12.

[2]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013,38(5):47-52.

[3]魏永刚,泉浩芳,周玉霞.北斗系统应用标准化发展战略思考[J].导航定位学报,2013,1(4):1-6.

[4]张荣群,张小栓,高万林,等.北斗导航系统在农业领域的应用展望[J].测绘通报,2012(增刊):685-686.

[5]黄维.北斗导航定位系统在抗震救灾中的应用与二次开发[D].四川:成都理工大学,2010:1-5.

[6]于渊,雷利军,景泽涛,等.北斗卫星导航在国内智能交通等领域的应用分析[J].工程研究——跨学科视野中的工程,2014,6 (1): 86-91.

[7]杨东凯,李伟强,杨威.北斗系统在海风海浪探测中的应用研究[J].导航定位学报,2014,2(2):97-101.

[8]王冠生,郑江华,瓦哈甫，等.北斗卫星在智慧城市建设中的应用评述[J].传感器与微系统,2013,32(11):1-4.

[9]何东旭.AUV水下导航系统关键技术研究[D].黑龙江:哈尔滨工程大学,2013:1-125.

[10]王冲.AUV组合导航系统研究[D].江苏:江苏科技大学,2013:1-92.

[11]徐博,白金磊,郝燕玲,等.多AUV协同导航问题的研究现状与进展[J].自动化学报,2015,41(3):445-461.

[12]万琪俊.基于北斗导航卫星移动定位系统研究与实现[D].广东:华南理工大学,2013:10-99.

[13]MENG L S, LIN Y, XU H L,etal. Effects of front shapes of mini revolving AUV on sailing resistance characteristics[C]//IEEE International Conference on Information and Automation. Piscataway, USA:IEEE,2015:1795-1799.

[14]孟令帅,林杨,郑荣,等.模块化自主水下机器人的机械设计与实现[J].机器人,2016,38(4):395-401.

[15]柯冠岩,吴涛,李明,等.水下机器人发展现状和趋势[J].国防科技,2013,34(5):44-47.

[16]马腾飞,匡兴红,赵梦晗,等.基于北斗系统的AUV导航定位系统设计与实现[J].全球定位系统,2016,41(4):117-119.

[17]向小梅,聂林波.基于北斗卫星导航系统的UUV遥控系统软件设计主控端[J].四川兵工学报,2015,36(5):42-45.