Long Baseline Underwater Positioning with Fusion of Saved and Current Measurements and Ambiguity Resolution. Part I. Mathematical Formulation
EDN: OBJJBK
Abstract
We report a recursive positioning algorithm for an autonomous underwater vehicle (AUV) based on measurements of ranges to acoustic beacons, water speed log and heading indicator data. Two types of desynchronization between the beacon and AUV time scales are considered: random and unknown. The algorithm starts without using AUV a priori coordinates when simultaneous measurements from minimum two or three beacons (depending on the desynchronization type) are first obtained. The newly coming measurements and those saved before the algorithm start are processed in forward and backward time in the same filter. If AUV coordinate estimates are ambiguous, two filters are implemented, which process the same data with different measurement linearization points. Ambiguity is resolved based on the ratio of a posteriori probabilities of hypotheses on AUV position. This ratio is calculated using the filters' outputs.
About the Authors
D. A. Koshaev
Concern CSRI Elektropribor, JSC, St. Petersburg
Russian Federation
Russian Federation
V. V. Bogomolov
Concern CSRI Elektropribor, JSC; ITMO University, St. Petersburg
Russian Federation
Russian Federation
References
1. 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, doi: 10.1109/JOE.2013.2278891.
2. Yan, W., Chen, W. & Cui, R., Moving long baseline positioning algorithm with uncertain sound speed, Journal of Mechanical Science and Technology, 2015, vol. 29, pp. 3995–4002, doi: 10.1007/s12206-015-0845-z.
3. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация. 2016. №3. C. 115–130. DOI 10.17285/0869-7035.2016.24.3.115-130.
4. Степанов О.А. Методы обработки навигационной измерительной информации. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 196 с.
5. Wang, L., Pang, S., AUV Navigation Based on Inertial Navigation and Acoustic Positioning Systems, OCEANS 2018 MTS/IEEE Charleston, Charleston, SC, USA, 2018, pp. 1–8, doi: 10.1109/OCEANS.2018.8604773.
6. Sigiel, N., Methods of autonomous underwater vehicles positioning, Scientific Journal of Polish Naval Academy, 2019, vol. 1, pp. 31–43, doi: 10.2478/sjpna-2019-0003.
7. González-García, J., Gómez-Espinosa, A., Cuan-Urquizo, E., García-Valdovinos, L.G., SalgadoJiménez, T., and Cabello, J.A.E., Autonomous Underwater Vehicles: Localization, Navigation, and Communication for Collaborative Missions, Applied Science, 2020, vol. 10, doi: 10.3390/app10041256.
8. Silva, T., Batista, P., Long baseline navigation filter with clock offset estimation, Nonlinear Dynamics, 2020, vol. 100, doi: 10.1007/s11071-020-05636-0.
9. Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф., Щербатюк Д.А. Разностно-дальномерная система навигации для обеспечения групповой работы морских робототехнических комплексов // Подводные исследования и робототехника. 2020. №2 (32). С 22–33. DOI: 10.37102/24094609.2020.32.2.003.
10. Jalal, F., Nasir, F., Underwater Navigation, Localization and Path Planning for Autonomous Vehicles: A Review, International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technologies (IBCAST), Islamabad, Pakistan, 2021, pp. 817–828, doi: 10.1109/IBCAST51254.2021.9393315.
11. Key, К., Constable, S., Inverted long-baseline acoustic navigation of deep-towed CSEM transmitters and receivers, Marine Geophysical Research, 2021, vol. 42, no. 6, doi: 10.1007/s11001-021-09427-z.
12. Щербатюк Д.А. Алгоритм навигационного обеспечения работы группы АНПА на основе фильтра частиц и разностно-дальномерной гидроакустической системы // Подводные исследования и робототехника, 2021. №4 (38). C. 50–57. DOI: 10.37102/1992-4429_2021_38_04_05.
13. Кошаев Д.А. Относительное позиционирование и определение ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков // Гироскопия и навигация. 2022. №4. С. 122–141. DOI 10.17285/0869-7035.00107.
14. Машошин А.И., Пашкевич И.В. Алгоритмы позиционирования автономного необитаемого подводного аппарата в процессе приведения и причаливания к подводному причальному устройству // Гироскопия и навигация. Том 31. №1 (120). 2023. C. 103–119.
15. Грузликов А.М., Караулов В.Г., Мухин Д.А., Шалаев Н.А. Результаты апробации алгоритма позиционирования и определения ориентации подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков // Известия Южного федерального университета. Технические науки. Раздел 4. Связь, навигация и наведение. 2023. С. 265–274. DOI: 10.18522/2311-3103-2023-1-265-274.
16. Пашкевич И.В., Мартынова Л.А. Метод уменьшения погрешности определения местоположения АНПА при посадке на подводное причальное устройство // Сборник материалов XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». 2023. С. 334–343.
17. Zhu, Y., Zhou, L., Hybrid Tightly-Coupled SINS/LBL for Underwater Navigation System, IEEE Access, 2024, vol. 12, pp. 31279–31286, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3051398.
18. Wu, P., Nie, W., Liu, Y. et al. Improving the underwater navigation performance of an IMU with acoustic long baseline calibration, Satellite Navigation, 2024, vol. 5, no. 7, doi: 10.1186/s43020-023-00126-1.
19. Дикарев А.В., Василенко А.В., Дмитриев С.М., Кубкин В.А., Путинцев И.А., Машков А.К., Капустин Н.Е., Маршалов М.С. Гидроакустическая длиннобазисная трекинговая система WAYU: экспериментальная проверка в естественных водоемах // Гидрокосмос. 2024. Т. 2, 1. №5–6. С. 52–63. DOI: 10.24412/2949-3838-2024-56-52-63.
20. Дмитриев В.И., Рассукованый Л.С. Навигация и лоция, навигационная гидрометеорология, электронная картография. М.: МОРКНИГА, 2016.
21. Дмитриев С.П. Высокоточная морская навигация. СПб.: Судостроение, 1991. 224 с.
22. Богомолов В.В. Анализ эффективности нелинейных решений задачи навигации подводных аппаратов // Материалы ХXIII конференции молодых ученых с международным участием. СанктПетербург, 2021. С. 223–227.
23. Bancroft, S., An algebraic solution of the GPS equations, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 1985, vol. 21, no. 7, pp. 56–59.
24. Шебшаевич В.С., Дмитриев П.П., Иванцевич И.В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / под ред. В.С. Шебшаевича 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.
25. Барабанов О.О., Барабанова Л.П. Математические задачи дальномерной навигации. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 272 с.
26. Деревянкин А.В., Матасов А.И. О конечном алгоритме определения местоположения объекта по разностям измерений псевдодальностей // Гироскопия и навигация. 2015. №2. С. 106–117.
27. Богомолов В.В. Позиционирование автономного необитаемого подводного аппарата с одновременной обработкой текущих и сохраненных измерений дальностей от менее чем трех гидроакустических маяков // Подводные исследования и робототехника. 2024. №2 (48). С. 58–67. DOI: 10.37102/1992-4429_2024_48_02_07. EDN: TGEOGR.
28. Медич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. М.: Энергия, 1977. С. 440.
29. Богомолов В.В., Кошаев Д.А. Алгоритм позиционирования подводного аппарата по измерениям дальности до маяков при их недостаточном для одномоментного навигационного решения количестве // Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. Санкт-Петербург, 2022. С. 66–69.
30. Кошаев Д.А. Метод фиктивных измерений для многоальтернативного оценивания процессов в линейной стохастической системе // Автоматика и телемеханика. 2016. №6. С. 81–108. DOI: 10.1134/S0005117916060060.
31. Дмитриев С.П., Степанов О.А. Многоальтернативная фильтрация в задачах обработки навигационной информации // Радиотехника. 2004. № 7. C. 11–17.
32. Кошаев Д.А. Многоальтернативный алгоритм одномаяковой навигации автономного необитаемого подводного аппарата без априорных данных о его местоположении. Часть 1. Математическое описание // Гироскопия и навигация. 2020. Том 28. №2 (109). С. 109–130. DOI: 10.17285/0869-7035.0035.
33. Ривкин Б.С. Навигация без GPS за рубежом // Гироскопия и навигация. Том 32. №1 (124), 2024. C. 115–142.
34. Kunhoth, J., Karkar, A., Al-Maadeed, S. et al., Indoor positioning and wayfinding systems: a survey, Hum. Cent. Comput. Inf. Sci., 2020, 10, 18, https://doi.org/10.1186/s13673-020-00222-0.
35. Кошаев Д.А., Богомолов В.В. Алгоритм длиннобазовой навигации автономного необитаемого подводного аппарата при отсутствии априорных данных о его местоположении и разреженном расположении маяков // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 12. С. 1052–1064. DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-12-1052-1064.
36. Кошаев Д.А., Богомолов В.В. Решение задачи длиннобазовой навигации автономного необитаемого подводного аппарата при отсутствии априорных данных о его местоположении и недостаточном для одномоментного позиционирования числе доступных маяков // Материалы ХХХIV конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб., 2024. С. 121–127.
37. Кебкал К.Г., Кебкал А.Г., Кебкал В.К. Инструментальные средства синхронизации гидроакустических устройств связи в задачах управления подводными сенсорами, распределенными антенными, автономными аппаратами // Гироскопия и навигация. 2014. Том 22. №2 (85). С. 48–65.
38. Webster, S.E., Eustice, R.M., Hanumant, S., Whitcomb, L.L., Advances in single-beacon one-waytravel-time acoustic navigation for underwater vehicles, The International Journal of Robotics Research, July 2012, vol. 31, issue 8, pp. 935–950, doi: 10.1177/0278364912446166.
39. 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.
40. Vallicrosa, G., Ridao, P., Sum of Gaussian single beacon range-only localization for AUV homing, Annual Reviews in Control, 2016, vol. 42, pp. 177–187, doi: 10.1016/j.arcontrol.2016.09.007.
41. Машошин А.И. Исследование точности одномаяковой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2017. №2. C. 20–27.
42. 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.
43. 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.
Review
For citations:
Koshaev D.A., Bogomolov V.V. Long Baseline Underwater Positioning with Fusion of Saved and Current Measurements and Ambiguity Resolution. Part I. Mathematical Formulation. Gyroscopy and Navigation. 2025;33(1):125-145. (In Russ.) EDN: OBJJBK
Views:
24
Email this article 