gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.00106gyroscopy-110Research ArticleСтатьиО методе навигации группы АНПА без использования гидроакустических маяковNavigation without Using Acoustic Beaconshttps://orcid.org/0000-0002-7600-6711ЩербатюкА. Ф.ScherbatyukA. F.

Щербатюк Александр Федорович, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, главный научный сотрудник 

Владивосток 

 Vladivostok 

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН»РоссияInstitute of Automation and Control Processes of Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202220052025304106121Copyright © Щербатюк А.Ф., 20252025Щербатюк А.Ф.Scherbatyuk A.F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.gyroscopy.ru/jour/article/view/110

В последнее время сети автономных донных сенсоров все шире применяются для сбора различной информации в придонной области океана. Актуальной является задача передачи накопленных при этом больших массивов данных в пункт их сбора и обработки. Перспективный метод – извлечение данных из сенсорных узлов автономной подводной сети с помощью групп автономных необитаемых подводных аппаратов. Качество выполнения подводных миссий при этом определяется точностью навигации каждого подводного аппарата из состава группы. В статье предложен новый, экономичный метод организации навигационного обеспечения групповой работы аппаратов для решения современной актуальной проблемы – обслуживания автономной сети донных сенсорных станций. Метод не требует использования штатных маяков гидроакустической навигационной системы (ГАНС) с длинной базой (ДБ) и привлечения надводных средств. В процессе работы одна часть группы подводных аппаратов находится в состоянии движения к намеченным сенсорным узлам, а другая состыкована с узлами сенсорной сети, считывает накопленную в них информацию и выполняет процедуры их обслуживания. Основная идея рассматриваемого метода заключается в том, что подводные аппараты из общей группы, состыкованные с узлами сенсорной сети, используются как временные маяки разностно-дальномерной (РД) ГАНС для других движущихся аппаратов. Рассмотрены алгоритмы, обеспечивающие работу предложенного метода.

Autonomous bottom sensor networks are increasingly used to collect various data near the sea bottom. Transmitting these large accumulated data arrays to the data collection and processing center is a pressing problem. A promising method to retrieve data from sensor nodes is to use multiple autonomous underwater vehicles (AUV). The quality of underwater mission performance is then determined by accurate navigation of each vehicle within the group. The article presents a new efficient method of multiple AUV navigation for performing the vital task – servicing the autonomous network of bottom sensor stations. The method requires neither beacons of long baseline acoustic navigation system (LBL ANS) nor surface vehicles. During the mission, some AUVs are moving to the target sensor nodes, while the others are docked to the sensor nodes, read out the accumulated data, and perform the maintenance procedures (battery recharging, state diagnostics, and correction of the mission program). The main idea of the method is that the AUVs docked to the sensor nodes function as temporary stationary beacons of the differential ranging (DR) ANS for the other moving AUVs. The algorithms of the proposed navigation method are considered.

сеть автономных донных сенсоровгруппа автономных необитаемых подводных аппаратовГАНС с длинной базойразностнодальномерный режим ГАНС с длинной базойNetwork of autonomous bottom sensorsmultiple AUVslong baseline acoustic navigation system (LBL ANS)differential ranging (DR) mode of LBL ANSReferencesFarr, N, Collins, J., at al., Wireless Retrieval of High-Rate Ocean Bottom Seismograph Data and Time Synchronization Using the WHOI Optical Modem and REMUS AUV, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2019, MTS/IEEE Seattle, USA.Farr, N, Collins, J., at al., Wireless Retrieval of High-Rate Ocean Bottom Seismograph Data and Time Synchronization Using the WHOI Optical Modem and REMUS AUV, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2019, MTS/IEEE Seattle, USA.Родионов А.Ю., Щербатюк А.Ф. Перспективы использования оптических систем связи и ориентации в подводной робототехнике // Подводные исследования и робототехника. 2021, no.4, pp. 37–49.Родионов А.Ю., Щербатюк А.Ф. Перспективы использования оптических систем связи и ориентации в подводной робототехнике // Подводные исследования и робототехника. 2021, no.4, pp. 37–49.Thompson, J. at al., Multi-AUV Placement for Coverage Maximization in Underwater Optical Wireless Sensor Networks, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2020, MTS/ IEEE San-Diego, USA.Thompson, J. at al., Multi-AUV Placement for Coverage Maximization in Underwater Optical Wireless Sensor Networks, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2020, MTS/ IEEE San-Diego, USA.Pessoa, L., Duarte, C., Salgado, H., Correia, V., Ferreira, B., Cruz, N., Matos, A., Design of an underwater sensor network perpetually powered from AUVs, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2019, MTS/IEEE, Marseille, France.Pessoa, L., Duarte, C., Salgado, H., Correia, V., Ferreira, B., Cruz, N., Matos, A., Design of an underwater sensor network perpetually powered from AUVs, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2019, MTS/IEEE, Marseille, France.Maki, T., Matsuda, T., Sakamaki, T., Ura, T., Kojima, J., Navigation Method for Underwater Vehicles Based on Mutual Acoustical Positioning with a Single Seafloor Station, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2013, vol. 38, pp. 167–177.Maki, T., Matsuda, T., Sakamaki, T., Ura, T., Kojima, J., Navigation Method for Underwater Vehicles Based on Mutual Acoustical Positioning with a Single Seafloor Station, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2013, vol. 38, pp. 167–177.Matsuda, T., Maki, T., Sato, Y., and Sakamaki, T., Experimental Evaluation of Accuracy and Efficiency of Alternating Landmark Navigation by Multiple AUVs, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2018, vol. 43, no. 2, pp. 1–23.Matsuda, T., Maki, T., Sato, Y., and Sakamaki, T., Experimental Evaluation of Accuracy and Efficiency of Alternating Landmark Navigation by Multiple AUVs, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2018, vol. 43, no. 2, pp. 1–23.Caiti, A., Calabrò, V., Fabbri, T., Fenucci, D., Munafò, A., Underwater communication and distributed localization of AUV teams, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, Bergen, 2013, pp. 1–8.Caiti, A., Calabrò, V., Fabbri, T., Fenucci, D., Munafò, A., Underwater communication and distributed localization of AUV teams, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, Bergen, 2013, pp. 1–8.Sergeenko, N., Scherbatyuk, A., Dubrovin, F., Some Algorithms of Cooperative AUV Navigation with Mobile Surface Beacon, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, San-Diego, USA, 2013, pp. 1–6.Sergeenko, N., Scherbatyuk, A., Dubrovin, F., Some Algorithms of Cooperative AUV Navigation with Mobile Surface Beacon, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, San-Diego, USA, 2013, pp. 1–6.Gao, R., Chitre, M., Cooperative Positioning using Range- Only Measurements Between Two AUVs, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, Sydney, NSW, Australia, 2010, pp. 1–6.Gao, R., Chitre, M., Cooperative Positioning using Range- Only Measurements Between Two AUVs, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, Sydney, NSW, Australia, 2010, pp. 1–6.Baccou, P., Jouvencel, B., Creuze, V., Rabaud, C., Cooperative Positioning and Navigation for Multiple AUV Operations, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2001, vol. 3, pp. 1816–1821.Baccou, P., Jouvencel, B., Creuze, V., Rabaud, C., Cooperative Positioning and Navigation for Multiple AUV Operations, Proceedings of the MTS/IEEE International Conference OCEANS, 2001, vol. 3, pp. 1816–1821.Vaganay, J., Leonard, J., Curcio, J., Willcox, S., Experimental Validation of the Moving Long Base Line Navigation Concept, Proceedings of the IEEE International Conference AUV, 2004, pp. 1–7.Vaganay, J., Leonard, J., Curcio, J., Willcox, S., Experimental Validation of the Moving Long Base Line Navigation Concept, Proceedings of the IEEE International Conference AUV, 2004, pp. 1–7.Zhang, L., Xu, D., Liu, M., Yan, W., Gao, J., An Algorithm for Cooperative Navigation of Multiple UUVs, Proc. of the Sixth Int. Symposium on Underwater Technology, Wuxi, China, April 2009, pp. 1–6.Zhang, L., Xu, D., Liu, M., Yan, W., Gao, J., An Algorithm for Cooperative Navigation of Multiple UUVs, Proc. of the Sixth Int. Symposium on Underwater Technology, Wuxi, China, April 2009, pp. 1–6.Mirabellot, D., Sandersont, A., Blidberg, D., Comparing Kalman and particle filter approaches to coordinated multi-vehicle navigation, Proc. of the Int. Conf. UUST, NH, USA, 2007, pp. 1–6.Mirabellot, D., Sandersont, A., Blidberg, D., Comparing Kalman and particle filter approaches to coordinated multi-vehicle navigation, Proc. of the Int. Conf. UUST, NH, USA, 2007, pp. 1–6.Dubrovin, F., Scherbatyuk, A., Scherbatyuk, D., Rodionov, A., Vaulin, Yu., Navigation for AUV, Located in the Shadow Area of LBL, During the Group Operations, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2020, Singapore-U.S., Gulf Coast.Dubrovin, F., Scherbatyuk, A., Scherbatyuk, D., Rodionov, A., Vaulin, Yu., Navigation for AUV, Located in the Shadow Area of LBL, During the Group Operations, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2020, Singapore-U.S., Gulf Coast.Щербатюк А.Ф., Воронцов А.В., Кушнерик А.А. и др. Алгоритмы обработки видеоизображений для решения некоторых задач управления и навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2010. №1. С. 29–39.Щербатюк А.Ф., Воронцов А.В., Кушнерик А.А. и др. Алгоритмы обработки видеоизображений для решения некоторых задач управления и навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2010. №1. С. 29–39.Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть I. Описание и сопоставление с алгоритмами калмановского типа // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. №3 (114). С. 3–33.Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть I. Описание и сопоставление с алгоритмами калмановского типа // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. №3 (114). С. 3–33.Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть 2. Примеры решения задач // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. №4 (115). С. 56–77.Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Басин М.В. Алгоритм полиномиальной фильтрации в задачах обработки навигационной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть 2. Примеры решения задач // Гироскопия и навигация. 2021. Т. 29. №4 (115). С. 56–77.Wan, E. and Merwe, R., The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation, Proceedings of the IEEE Symposium «Adaptive Systems for Signal Processing, Communications, and Control», 2000.Wan, E. and Merwe, R., The Unscented Kalman Filter for Nonlinear Estimation, Proceedings of the IEEE Symposium «Adaptive Systems for Signal Processing, Communications, and Control», 2000.Julier, S.J., Uhlmann, J.K., Unscented Filtering and Nonlinear Estimation, Proceedings of the IEEE, 2004, vol. 92, no. 3, pp. 401–422.Julier, S.J., Uhlmann, J.K., Unscented Filtering and Nonlinear Estimation, Proceedings of the IEEE, 2004, vol. 92, no. 3, pp. 401–422.Gustafsson, F., Gunnarsson, F., Bergman, N., et al., Particle filters for positioning, navigation, and tracking, IEEE Transactions on Signal Processing, 2002, vol. 50, no. 2, pp. 425–437.Gustafsson, F., Gunnarsson, F., Bergman, N., et al., Particle filters for positioning, navigation, and tracking, IEEE Transactions on Signal Processing, 2002, vol. 50, no. 2, pp. 425–437.Степанов О.А., Торопов А.Б. Использование последовательных методов Монте-Карло в задаче корреляционно-экстремальной навигации // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 10. С. 49–54.Степанов О.А., Торопов А.Б. Использование последовательных методов Монте-Карло в задаче корреляционно-экстремальной навигации // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 10. С. 49–54.Степанов О.А., Торопов А.Б. Применение последовательных методов Монте-Карло с использованием процедур аналитического интегрирования при обработке навигационной информации // XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. 2014. С. 3324–3337.Степанов О.А., Торопов А.Б. Применение последовательных методов Монте-Карло с использованием процедур аналитического интегрирования при обработке навигационной информации // XII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2014. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. 2014. С. 3324–3337.Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. 2015. №4. С. 47–52.Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. 2015. №4. С. 47–52.Рыбаков К.А. Решение нелинейных задач оценивания при обработке навигационных данных с использованием непрерывного фильтра частиц // Гироскопия и навигация. 2018. Том 26. №4 (103). С. 82–95.Рыбаков К.А. Решение нелинейных задач оценивания при обработке навигационных данных с использованием непрерывного фильтра частиц // Гироскопия и навигация. 2018. Том 26. №4 (103). С. 82–95.Maurelli, F., Krupinski, S., A semantic-aided particle filter approach for AUV localization, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2018, Kobe, Japan.Maurelli, F., Krupinski, S., A semantic-aided particle filter approach for AUV localization, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2018, Kobe, Japan.Fei, X., Shen, Y., Yan, T., Application of AUV Navigation Based on Deterministic Particle Filter Algorithm, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2018, Charleston, USA.Fei, X., Shen, Y., Yan, T., Application of AUV Navigation Based on Deterministic Particle Filter Algorithm, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2018, Charleston, USA.Menna, B.V., Villar, S.A., Acosta, G.G., Particle filter based autonomous underwater vehicle navigation system aided thru acoustic communication ranging, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2020, San-Diego, USA.Menna, B.V., Villar, S.A., Acosta, G.G., Particle filter based autonomous underwater vehicle navigation system aided thru acoustic communication ranging, Proceedings of the MTS/IEEE Conference OCEANS, 2020, San-Diego, USA.Щербатюк Д.А. Алгоритм навигационного обеспечения работы группы АНПА на основе фильтра частиц и разностно-дальномерной гидроакустической системы // Подводные исследования и робототехника. 2021. №4. C. 50–59.Щербатюк Д.А. Алгоритм навигационного обеспечения работы группы АНПА на основе фильтра частиц и разностно-дальномерной гидроакустической системы // Подводные исследования и робототехника. 2021. №4. C. 50–59.Dubrovin, F., Vaulin, Yu., Scherbatyuk, D., Scherbatyuk, A., Some results of preliminary natural experiments for algorithms of differential-ranging acoustic positioning system intended for AUV group navigation, Proceedings of the XХVIIth International Conference on Integrated Navigation Systems, Saint Petersburg, 25–27 May, 2020.Dubrovin, F., Vaulin, Yu., Scherbatyuk, D., Scherbatyuk, A., Some results of preliminary natural experiments for algorithms of differential-ranging acoustic positioning system intended for AUV group navigation, Proceedings of the XХVIIth International Conference on Integrated Navigation Systems, Saint Petersburg, 25–27 May, 2020.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.