gyroscopyГироскопия и навигацияGiroskopiya i Navigatsiya / Gyroscopy and Navigation0869-70352075-0927AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»MHPDQSgyroscopy-99Research ArticleСтатьиОценка практически достижимой точности современных гидроакустических навигационных систем с ультракороткой измерительной базой для подводных роботовEstimation of the Practically Attainable Accuracy of Modern Ultrashort Baseline Acoustic Positioning Systems for Underwater RobotsМатвиенкоЮ. В.MatvienkoYu. V.

Матвиенко Юрий Викторович – доктор технических наук, главный научный сотрудник

Владивосток

Vladivostok

ФГБУН «Институт проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева ДВО РАН»РоссияInstitute of Marine Technology Problems, Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202319052025312106120Copyright © Матвиенко Ю.В., 20252025Матвиенко Ю.В.Matvienko Y.V.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/99

Предложен метод построения гидроакустических навигационных систем с ультракороткой базой (ГАНС УКБ), и показана возможность их применения для навигационной поддержки подводных роботов. Представлены оценки используемых антенн и навигационных сигналов для определения их потенциальной точности. Отмечено, что высокая точность угловых измерений достижима в случае применения разреженных антенн. Описана математическая модель расчета случайной составляющей погрешности для различных многоэлементных антенн. Проанализированы источники систематических погрешностей, возникающих в реальных антеннах, и изложена методика градуировки точности ГАНС УКБ, основанная на точном измерении дальности, а также на данных бортовой навигационной системы подводного робота и судовых средств навигации. Приведен пример обработки реальных данных, полученных во время работы системы в глубоком море. Сделан вывод о возможности построения высокоточных ГАНС УКБ при применении круговых осесимметричных антенн с небольшим числом элементов и статистических методов обработки сигналов.

A method for designing acoustic positioning systems with ultrashort baseline (USBL APS) for underwater robots is proposed. The possibility of their application for navigation support of underwater robots is shown. Estimation of the antennas and navigation signals used to determine their potential accuracy is presented. It is noted that high accuracy of angle measurements is attainable in the case of sparse antenna arrays. A mathematical model for calculation of the random error component for various multielement antennas is described. The sources of systematic errors in real antennas are analyzed. The procedures and techniques for calibration of the USBL APS accuracy based on accurate range measurement, as well as on the data of the onboard navigation system of an underwater robot and ship navigation equipment are discussed. An example of processing real data obtained during the system operation in deep sea is given. A conclusion is made about the feasibility of designing high-accurate USBL APS using circular axisymmetric antennas with a small number of elements and statistical methods of signal processing.

 

автономный необитаемый подводный аппаратгидроакустическая навигацияпеленгование навигационного сигналаслучайные и систематические погрешности угловых измерений малогабаритной антеннойэкспериментальные оценки точности навигационной системы с ультракороткой базойautonomous underwater vehicleacoustic positioning systemdirection finding of navigation signalsrandom and systematic errors in angle measurements with a small-sized antennaexperimental estimates of USBL acoustic positioning system accuracyИсследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-61-10024, https://rscf.ru/project/23-61-10024/.ReferencesRomeo, J., Lester, G., Navigation is Key to AUV Missions, Sea Technology, 2001, vol. 42, no. 12, pp. 24–29.Romeo, J., Lester, G., Navigation is Key to AUV Missions, Sea Technology, 2001, vol. 42, no. 12, pp. 24–29.Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Костенко В.В., Матвиенко Ю.В., Павин А.М., Щербатюк А.Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток: ФГБУН «Ин-т проблем морских технологий ДВО РАН», 2018. 368 с.Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Костенко В.В., Матвиенко Ю.В., Павин А.М., Щербатюк А.Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток: ФГБУН «Ин-т проблем морских технологий ДВО РАН», 2018. 368 с.Kebkal, K.G.,Kebkal, O.G., Bannash, R., Yakovlev, S.G., Performance of Combined USBL Positioning and Communication System Using S2C Technology, Proceeding of the OCTANS 2012 IEEE Yeosu Conference and Exhibition, Korea, 2012.Kebkal, K.G.,Kebkal, O.G., Bannash, R., Yakovlev, S.G., Performance of Combined USBL Positioning and Communication System Using S2C Technology, Proceeding of the OCTANS 2012 IEEE Yeosu Conference and Exhibition, Korea, 2012.Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. № 3 (94). С. 115–130.Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. № 3 (94). С. 115–130.Матвиенко Ю.В., Ваулин Ю.В., Каморный А.В. Градуировка навигационных средств подводных роботов // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 1(19).С. 16–23.Матвиенко Ю.В., Ваулин Ю.В., Каморный А.В. Градуировка навигационных средств подводных роботов // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 1(19).С. 16–23.Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии / под общ. ред. акад. М.Д. Агеева; отв. ред. Л.В. Киселев. Москва: Наука, 2005. 398 с.Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы: системы и технологии / под общ. ред. акад. М.Д. Агеева; отв. ред. Л.В. Киселев. Москва: Наука, 2005. 398 с.Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики // Подводные исследования и робототехника. 2008. № 1(5). С. 24–31.Инзарцев А.В., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики // Подводные исследования и робототехника. 2008. № 1(5). С. 24–31.Inzartsev, A.V., Kiseljev, L.V., Matviyenko, Yu.V. et al., Integrated Positioning System of Autonomous Underwater Robot and Its Application in High Latitudes of Arctic Zone, Gyroscopy and Navigation, 2010, vol. 1, no. 2, pp. 107–112.Inzartsev, A.V., Kiseljev, L.V., Matviyenko, Yu.V. et al., Integrated Positioning System of Autonomous Underwater Robot and Its Application in High Latitudes of Arctic Zone, Gyroscopy and Navigation, 2010, vol. 1, no. 2, pp. 107–112.Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989. 316 с.Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989. 316 с.Watson, M., Loggins, C., and Ochi, Y.T., A New High Accuracy Super Short Base Line (SSBL) System, Underwater Technology, Tokyo, Japan, 1998, pp. 210–215.Watson, M., Loggins, C., and Ochi, Y.T., A New High Accuracy Super Short Base Line (SSBL) System, Underwater Technology, Tokyo, Japan, 1998, pp. 210–215.Zielinski, A., Zhou, L., Precision acoustic navigation for remotely operated vehicles (ROV), Gdansk, PolskieTowarzystwoAkustyczne, Hydroacoustics, 2005, vol. 8, pp. 255–264.Zielinski, A., Zhou, L., Precision acoustic navigation for remotely operated vehicles (ROV), Gdansk, PolskieTowarzystwoAkustyczne, Hydroacoustics, 2005, vol. 8, pp. 255–264.URL: https://www.sonardyne.com/products/ranger-2-subsea-positioning-usbl/ (дата обращения 12.04.2023).URL: https://www.sonardyne.com/products/ranger-2-subsea-positioning-usbl/ (дата обращения 12.04.2023).Posidonia 6000. Underwater acoustic positioning system. URL: www.ixsea-oceano.com (дата обращения 10.02.2023).Posidonia 6000. Underwater acoustic positioning system. URL: www.ixsea-oceano.com (дата обращения 10.02.2023).Системы подводного позиционирования USBL. URL: https://evologics.de/usbl (дата обращения 10.02.2023).Системы подводного позиционирования USBL. URL: https://evologics.de/usbl (дата обращения 10.02.2023).www.kongsberg.com/ru/maritime/products/Acoustics-Positioning-and-Communication (дата обращения 08.12.2022).www.kongsberg.com/ru/maritime/products/Acoustics-Positioning-and-Communication (дата обращения 08.12.2022).Luo Q, Yan X, Ju C, Chen Y, Luo Z. An Ultra-Short Baseline Underwater Positioning System with Kalman Filtering. Sensors (Basel). 2020 Dec 28;21(1):143, doi: 10.3390/s21010143. PMID: 33379311; PMCID: PMC7796008.Luo Q, Yan X, Ju C, Chen Y, Luo Z. An Ultra-Short Baseline Underwater Positioning System with Kalman Filtering. Sensors (Basel). 2020 Dec 28;21(1):143, doi: 10.3390/s21010143. PMID: 33379311; PMCID: PMC7796008.Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.Матвиенко Ю.В. Навигация подводного робота. Гидроакустические системы с ультракороткой базой. Саарбрюкен, 2013. 199 с.Матвиенко Ю.В. Навигация подводного робота. Гидроакустические системы с ультракороткой базой. Саарбрюкен, 2013. 199 с.Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И., Нургалиев Р.Ф., Рылов Р.Н., Касаткин Б.А. Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. Патент РФ №2179730. Бюл. изобр. №5, 2002.Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И., Нургалиев Р.Ф., Рылов Р.Н., Касаткин Б.А. Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. Патент РФ №2179730. Бюл. изобр. №5, 2002.Douglas, B. and Pietsch, R., Optimal Beamforming Techniques for Imperfectly Calibrated Arrays, Proceeding of Ocean – 96.Douglas, B. and Pietsch, R., Optimal Beamforming Techniques for Imperfectly Calibrated Arrays, Proceeding of Ocean – 96.

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