gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»10.17285/0869-7035.0035gyroscopy-215Research ArticleСтатьиМногоальтернативный алгоритм одномаяковой навигации автономного необитаемого подводного аппарата без априорных данных о его местоположении. Часть 1. Математическое описаниеMultiple Model Algorithm for Single-Beacon Navigation of Autonomous Underwater Vehicle without Its Apriori Position. Part 1. Mathematical FormulationКошаевД. А.KoshaevD. A.

Кошаев Дмитрий Анатольевич. Доктор технических наук, ведущий научный сотрудник. Действительный член международной общественной организации «Академия навигации и управления движением».

АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Университет ИТМО (С.-Петербург).РоссияConcern CSRI Elektropribor, JSC, St. Petersburg; ITMO University, St. PetersburgRussian Federation202010112025282109130Copyright © 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/215

Рассматривается задача позиционирования автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) по измерениям дальности и, возможно, радиальной скорости относительно одного гидроакустического маяка, составляющим скорости и приращениям координат от инерциальной навигационной системы, а также данным относительного либо абсолютного лага. Допускаются перерывы в поступлении гидроакустических измерений. Наличия априорной информации о взаимном расположении АНПА и маяка не предполагается. Для решения задачи предлагается многоальтернативный алгоритм на основе банка обобщенных фильтров Калмана, которые независимо друг от друга оценивают начальную горизонтальную дальность и погрешности используемых данных при различных гипотезах о значении начального азимута АНПА относительно маяка. Текущие координаты АНПА определяются по результатам работы фильтров с учетом апостериорных вероятностей соответствующих им гипотез. Алгоритм достаточно прост для программирования и не требует чрезмерных вычислительных ресурсов.

The article considers a problem of autonomous underwater vehicle (AUV) positioning with acoustic measurements of range and possibly radial velocity relative to a single beacon, velocity components and coordinate increments from an inertial navigation system, and the data from a water-speed log or a ground log. Interruptions are admitted in reception of acoustic measurements. Availability of a priori information on mutual position of AUV and the beacon is not assumed. In order to solve the problem, the author proposes a multiple model algorithm based on a bank of extended Kalman filters which independently estimate the initial horizontal range and errors of the used data under different hypotheses about a value of AUV initial azimuth relative to the beacon. Current coordinates of AUV are determined by the outputs of filters, taking into account the a posteriori probabilities of the corresponding hypotheses. The algorithm is rather simple for programming and does not require much computational power.

Автономный необитаемый подводный аппаратодномаяковая навигациямногоальтернативная фильтрация.ReferencesScherbatyuk, A.P. The AUV positioning using ranges from one transponder LBL. Proceedings of OCEANS ‘95 MTS/IEEE, Oct. 9-12, 1995. San Diego, CA, USA. P. 1620–1623.Scherbatyuk, A.P. The AUV positioning using ranges from one transponder LBL. Proceedings of OCEANS ‘95 MTS/IEEE, Oct. 9-12, 1995. San Diego, CA, USA. P. 1620–1623.Paull, L., Saeedi, S., Seto M., Li H., AUV Navigation and Localization: A Review, IEEE Journal of oceanic engineering, 2014, vol. 39, no. 1, pp. 131–149.Paull, L., Saeedi, S., Seto M., Li H., AUV Navigation and Localization: A Review, IEEE Journal of oceanic engineering, 2014, vol. 39, no. 1, pp. 131–149.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.Борейко А.А., Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Современные подходы к организации навигационного обеспечения работы морских робототехнических комплексов // ИПМТ ДВО РАН. XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019: Труды [Электронный ресурс] 17–20 июня 2019 г., Москва. С. 420–432.Борейко А.А., Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Современные подходы к организации навигационного обеспечения работы морских робототехнических комплексов // ИПМТ ДВО РАН. XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019: Труды [Электронный ресурс] 17–20 июня 2019 г., Москва. С. 420–432.Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. 2015. №4. C. 160–172.Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. 2015. №4. C. 160–172.Webster, S.E., Eustice, R.M., Singh, H., Whitcomb, L.L., Advances in single-beacon one-way-traveltime acoustic navigation for underwater vehicles, The International Journal of Robotics Research, 2012, vol. 31, no. 8, pp. 935–950.Webster, S.E., Eustice, R.M., Singh, H., Whitcomb, L.L., Advances in single-beacon one-way-traveltime acoustic navigation for underwater vehicles, The International Journal of Robotics Research, 2012, vol. 31, no. 8, pp. 935–950.Машошин А.И. Исследование точности одномаяковой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2017. №2. C. 20–27.Машошин А.И. Исследование точности одномаяковой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2017. №2. C. 20–27.Ferreira, B., Matos, A., Cruz, N., Single Beacon Navigation: Localization and Control of the MARES AUV, Proceedings of OCEANS ‘10 MTS/IEEE, September 20–23, 2010. Seattle, WA, USA.Ferreira, B., Matos, A., Cruz, N., Single Beacon Navigation: Localization and Control of the MARES AUV, Proceedings of OCEANS ‘10 MTS/IEEE, September 20–23, 2010. Seattle, WA, USA.Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Некоторые алгоритмы определения неизвестного начального местоположения АНПА на основе информации от одномаяковой мобильной навигационной системы // Гироскопия и навигация. 2017. №1. C. 64–77.Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Некоторые алгоритмы определения неизвестного начального местоположения АНПА на основе информации от одномаяковой мобильной навигационной системы // Гироскопия и навигация. 2017. №1. C. 64–77.Пелевин А.Е. Определение местоположения АНПА по информации о дальности и скорости ее изменения при одномаяковой навигации // Материалы XXXI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова, 2–4 октября 2018. Санкт-Петербург. С. 155–162.Пелевин А.Е. Определение местоположения АНПА по информации о дальности и скорости ее изменения при одномаяковой навигации // Материалы XXXI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова, 2–4 октября 2018. Санкт-Петербург. С. 155–162.Степанов О.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Лопарев А.В., Басин М.В. Сравнительный анализ алгоритмов фильтрации в задачах обработки навигационных измерений полиномиального типа // Материалы XXXI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова, 2-4 октября 2018. Санкт-Петербург. С. 146–154.Степанов О.А., Васильев В.А., Торопов А.Б., Лопарев А.В., Басин М.В. Сравнительный анализ алгоритмов фильтрации в задачах обработки навигационных измерений полиномиального типа // Материалы XXXI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова, 2-4 октября 2018. Санкт-Петербург. С. 146–154.Stepanov, O.A., Vasiliev, V.A., Toropov, A.B., Loparev, A.V., Basin, М.V., Efficiency analysis of a filtering algorithm for discrete-time linear stochastic systems with polynomial measurements, Journal of the Franklin Institute, 2019, vol. 356, no. 10, pp. 5573–5591.Stepanov, O.A., Vasiliev, V.A., Toropov, A.B., Loparev, A.V., Basin, М.V., Efficiency analysis of a filtering algorithm for discrete-time linear stochastic systems with polynomial measurements, Journal of the Franklin Institute, 2019, vol. 356, no. 10, pp. 5573–5591.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.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.Vallicrosa, G., Ridao, P., Ribas, D., Palomer, A., Active Range-Only Beacon Localization for AUV Homing, Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Sep. 14–18, 2014. Chicago, IL, USA, pp. 2286–2291.Vallicrosa, G., Ridao, P., Ribas, D., Palomer, A., Active Range-Only Beacon Localization for AUV Homing, Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Sep. 14–18, 2014. Chicago, IL, USA, pp. 2286–2291.Vallicrosa, G.; Ridao, P. Sum of Gaussian single beacon range-only localization for AUV homing. Annual Reviews in Control. 2016. Vol. 42. P. 177–187.Vallicrosa, G.; Ridao, P. Sum of Gaussian single beacon range-only localization for AUV homing. Annual Reviews in Control. 2016. Vol. 42. P. 177–187.Magill, D.T., Optimal Adaptive Estimation of Sampled Stochastic Processes, IEEE Transactions on Automatic Control, 1965, vol. 10, issue 4, pp. 434–439.Magill, D.T., Optimal Adaptive Estimation of Sampled Stochastic Processes, IEEE Transactions on Automatic Control, 1965, vol. 10, issue 4, pp. 434–439.Bar-Shalom, Y., Li, X.R., Kirubarajan, T., Estimation with Applications to Tracking and Navigation, J. Wiley and Sons, 2001.Bar-Shalom, Y., Li, X.R., Kirubarajan, T., Estimation with Applications to Tracking and Navigation, J. Wiley and Sons, 2001.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.Дмитриев С.П., Степанов О.А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации // Радиотехника. 2004. № 7. C. 11–17.Дмитриев С.П., Степанов О.А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации // Радиотехника. 2004. № 7. C. 11–17.Li, X.R., Jilkov, V.P., Survey of maneuvering target tracking. Part V. Multiple-model methods, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, no. 4, pp. 1255–1321.Li, X.R., Jilkov, V.P., Survey of maneuvering target tracking. Part V. Multiple-model methods, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2005, vol. 41, no. 4, pp. 1255–1321.Кошаев Д.А. Многоальтернативный метод обнаружения и оценки нарушений на основе расширенного фильтра Калмана // Автоматика и телемеханика. 2010. №5. С. 70–83.Кошаев Д.А. Многоальтернативный метод обнаружения и оценки нарушений на основе расширенного фильтра Калмана // Автоматика и телемеханика. 2010. №5. С. 70–83.Степанов О.А., Моторин А.В. Методы адаптивного оценивания в задачах обработки навигационной информации // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019: Труды [Электронный ресурс] 17-20 июня, 2019 г., Москва. С. 1359–1366.Степанов О.А., Моторин А.В. Методы адаптивного оценивания в задачах обработки навигационной информации // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019: Труды [Электронный ресурс] 17-20 июня, 2019 г., Москва. С. 1359–1366.Сиек Ю.Л., Борисов А.Н. Многомодельное оценивание вектора состояния автономного необитаемого подводного аппарата // Материалы Восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 30 сентября – 3 октября 2019 г. Владивосток. С. 334–339.Сиек Ю.Л., Борисов А.Н. Многомодельное оценивание вектора состояния автономного необитаемого подводного аппарата // Материалы Восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана», 30 сентября – 3 октября 2019 г. Владивосток. С. 334–339.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.Куликова М.В., Куликов Г.Ю. Численные методы нелинейной фильтрации для обработки сигналов и измерений // Вычислительные технологии. 2016. С. 64–98.Куликова М.В., Куликов Г.Ю. Численные методы нелинейной фильтрации для обработки сигналов и измерений // Вычислительные технологии. 2016. С. 64–98.Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976.Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976.Doucet, A., Johansen, A., A Tutorial on Particle Filtering and Smoothing: Fifteen Years Later, The Oxford Handbook of Nonlinear Filtering / D. Crisan, B. Rozovsky. Oxford University Press, 2011, pp. 656–704.Doucet, A., Johansen, A., A Tutorial on Particle Filtering and Smoothing: Fifteen Years Later, The Oxford Handbook of Nonlinear Filtering / D. Crisan, B. Rozovsky. Oxford University Press, 2011, pp. 656–704.

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