gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.00107gyroscopy-111Research ArticleСтатьиОтносительное позиционирование и определение ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяковAUV Relative Position and Attitude Determination Using Acoustic BeaconsКошаевД. А.KoshaevD. A.

Кошаев Дмитрий Анатольевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник; действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением» 

С.-Петербург

 St. Petersburg 

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»РоссияConcern CSRI ElektropriborRussian Federation202220052025304122141Copyright © Кошаев Д.А., 20252025Кошаев Д.А.Koshaev D.A.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/111

Предлагается пригодный для использования в реальном времени алгоритм относительного позиционирования и определения ориентации автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) по дальномерным измерениям до гидроакустических маяков, расположенных на небольших расстояниях друг от друга на единой платформе. Взаимное расположение АНПА и маяков априорно неизвестно, а их шкалы времени не синхронизированы. Предлагаемый алгоритм позволяет учесть нелинейный характер измерений с меньшими по сравнению с методом максимального правдоподобия вычислительными затратами. Приводятся результаты моделирования и камеральной обработки натурных данных при различных положениях АНПА относительно маяков.

The proposed real-time algorithm for autonomous underwater vehicle (AUV) relative position and attitude determination uses range measurements to acoustic beacons positioned at small distances to each other on a common platform. Mutual arrangement of AUV and beacons is a priori unknown, and their time scales are not synchronized. The developed algorithm considers the nonlinear character of measurements while featuring a lower computational burden compared to the maximum likelihood method. Results from simulation and postprocessing of real data with different AUV arrangement relative to the beacons are provided.

автономный необитаемый подводный аппаратнавигацияориентацияметод наименьших квадратовнелинейное байесовское оцениваниеautonomous underwater vehicle (AUV)navigationattitude determinationleast squares methodnonlinear Bayesian estimationReferencesSotiropoulos, P., Tosi, N., Andritsos, F., et al., Optimal docking pose and tactile hook-localisation strategy for AUV intervention: the DIFIS deployment case, Ocean Eng., 2012, 46: 33–45.Sotiropoulos, P., Tosi, N., Andritsos, F., et al., Optimal docking pose and tactile hook-localisation strategy for AUV intervention: the DIFIS deployment case, Ocean Eng., 2012, 46: 33–45.Palomeras, N., Ridao, P., Ribas, D., Vallicrosa, G., Autonomous I-AUV Docking for Fixed-base Manipulation, Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Aug. 24–29, 2014, Cape Town, South Africa, pp. 12160–12165, https://doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.01878.Palomeras, N., Ridao, P., Ribas, D., Vallicrosa, G., Autonomous I-AUV Docking for Fixed-base Manipulation, Proceedings of the 19th IFAC World Congress, Aug. 24–29, 2014, Cape Town, South Africa, pp. 12160–12165, https://doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.01878.Vallicrosa, G., Bosch, J., Palomeras, N., Ridao, P., Carreras, M., Gracias, N., Autonomous homing and docking for AUVs using Range-Only Localization and Light Beacons, IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, issue 23, pp. 54–60, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.321.Vallicrosa, G., Bosch, J., Palomeras, N., Ridao, P., Carreras, M., Gracias, N., Autonomous homing and docking for AUVs using Range-Only Localization and Light Beacons, IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, issue 23, pp. 54–60, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.10.321.Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. №3. C. 115–130.Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. №3. C. 115–130.Zhong, l., Li, D, Lin, M., Lin, R., Yang, C., A Fast Binocular Localisation Method for AUV Docking, Sensors (Basel), 2019, Apr., 19(7): 1735.Zhong, l., Li, D, Lin, M., Lin, R., Yang, C., A Fast Binocular Localisation Method for AUV Docking, Sensors (Basel), 2019, Apr., 19(7): 1735.Uchihori, H., Yamamoto, I., Morinaga, A., Concept of Autonomous Underwater Vehicle Docking Using 3D Imaging Sonar, Sensors and Materials, 2019, vol. 31, no. 12, pp. 4223–4230.Uchihori, H., Yamamoto, I., Morinaga, A., Concept of Autonomous Underwater Vehicle Docking Using 3D Imaging Sonar, Sensors and Materials, 2019, vol. 31, no. 12, pp. 4223–4230.Fan, S., Liu, C., Li, B., et al., AUV docking based on USBL navigation and vision guidance, J. Mar. Sci. Technol., 2019, 24: 673–685.Fan, S., Liu, C., Li, B., et al., AUV docking based on USBL navigation and vision guidance, J. Mar. Sci. Technol., 2019, 24: 673–685.Wang, J., Xu, T. and Wang, Z., Adaptive robust unscented Kalman filter for AUV acoustic navigation, Sens., 2020, 20: 60.Wang, J., Xu, T. and Wang, Z., Adaptive robust unscented Kalman filter for AUV acoustic navigation, Sens., 2020, 20: 60.Zuo, M., Wang, G., Xiao, Y., Xiang, G., A Unified Approach for Underwater Homing and Docking of over-Actuated AUV, J. Mar. Sci. Eng., 2021, 9, 884, https://doi.org/10.3390/jmse9080884.Zuo, M., Wang, G., Xiao, Y., Xiang, G., A Unified Approach for Underwater Homing and Docking of over-Actuated AUV, J. Mar. Sci. Eng., 2021, 9, 884, https://doi.org/10.3390/jmse9080884.Lin, R., Zhang, F., Li, D., Lin, M., Zhou, G., Yang, C., An Improved Localization Method for the Transition between Autonomous Underwater Vehicle Homing and Docking, Sensors, 2021, 21, 2468, https://doi.org/10.3390/s21072468.Lin, R., Zhang, F., Li, D., Lin, M., Zhou, G., Yang, C., An Improved Localization Method for the Transition between Autonomous Underwater Vehicle Homing and Docking, Sensors, 2021, 21, 2468, https://doi.org/10.3390/s21072468.Грузликов А.М. Навигация АНПА в ближнем поле в интересах решения задачи приведения к причальному устройству // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 138–140.Грузликов А.М. Навигация АНПА в ближнем поле в интересах решения задачи приведения к причальному устройству // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 138–140.Кошаев Д.А. Относительное позиционирование и определение ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков // Материалы XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб., 2022. С. 70–77.Кошаев Д.А. Относительное позиционирование и определение ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков // Материалы XXXIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб., 2022. С. 70–77.Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2016.Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2016.Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение, 1991. 224 с.Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение, 1991. 224 с.Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / 3-е изд. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003.Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / 3-е изд. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003.Алберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. М.: Наука, 1977. 224 с.Алберт А. Регрессия, псевдоинверсия и рекуррентное оценивание. М.: Наука, 1977. 224 с.Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548 с. 18. Bancroft, S., An algebraic solution of the GPS equations, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 1985, vol. 21, no. 7, pp. 56–59.Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. М.: Мир, 1999. 548 с. 18. Bancroft, S., An algebraic solution of the GPS equations, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 1985, vol. 21, no. 7, pp. 56–59.Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич И.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. Шебшаевича В.С. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич И.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. Шебшаевича В.С. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.Барабанов О.О., Барабанова Л. П. Математические задачи дальномерной навигации. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 272 с.Барабанов О.О., Барабанова Л. П. Математические задачи дальномерной навигации. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 272 с.Деревянкин А.В., Матасов А.И. О конечном алгоритме определения местоположения объекта по разностям измерений псевдодальностей // Гироскопия и навигация. 2015. №2. С. 106–117.Деревянкин А.В., Матасов А.И. О конечном алгоритме определения местоположения объекта по разностям измерений псевдодальностей // Гироскопия и навигация. 2015. №2. С. 106–117.Бедин Д.А. Позиционирование по измерениям псевдодальностей с помощью метода Банкрофта: подходы к описанию нелинейного распределения ошибок // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 319–322.Бедин Д.А. Позиционирование по измерениям псевдодальностей с помощью метода Банкрофта: подходы к описанию нелинейного распределения ошибок // Сборник материалов XXIX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб., 2022. С. 319–322.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 1. Описание алгоритма // Гироскопия и навигация. 2021. №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 1. Описание алгоритма // Гироскопия и навигация. 2021. №3 (114). С. 3–33.https://www.mathworks.com/help/optim/ug/lsqnonlin.htmlhttps://www.mathworks.com/help/optim/ug/lsqnonlin.htmlhttps://www.mathworks.com/help/optim/ug/least-squares-model-fitting-algorithms.html#f204https://www.mathworks.com/help/optim/ug/least-squares-model-fitting-algorithms.html#f204Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985.Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985.

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