НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ ПО АКУСТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ ОТ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
Аннотация
Предложен метод построения навигационной системы автономного необитаемого под-
водного аппарата (АНПА), использующей ограниченный набор бортовых датчиков и прини-
мающей данные о положении АНПА по акустическим каналам связи от гидроакустической
станции освещения подводной обстановки (ГАСО). Предложенный метод формирует оценки
положения и скоростей АНПА на основе его динамической модели в предположении, что угло-
вые скорости, углы ориентации и глубина АНПА определяются с помощью его бортовых дат-
чиков. Линейные скорости непосредственно не измеряются. Для реализации навигационного
алгоритма используется фильтр Калмана. При этом особенность этого алгоритма заключа-
ется в реализации двухступенчатой процедуры коррекции оценок координат и линейных скоро-
стей АНПА, полученных на основе его динамической модели. Указанная коррекция осуществля-
ется в двух вариантах в зависимости от того, какие данные доступны на текущем шаге рабо-
ты системы. Первый вариант предполагает коррекцию указанных оценок только на основе
данных от датчика глубины, обновление которых происходит на каждом шаге работы систе-
мы. А второй вариант используется, когда приходят данные от ГАСО по акустическим кана-
лам связи. Эти данные приходят с задержкой из-за ограниченной скорости распространения
акустических сигналов в водной среда, а также могут периодически могут искажаться и про-
падать. В работе предложен метод компенсации указанных задержек, за счет сохранения
массива ранее рассчитанных данных и оценки необходимых поправок за счет сравнения при-
шедших данных с оценками, полученными ранее. Предложенная схема построения навигацион-
ной системы позволяет обеспечить коррекцию ее показаний в условиях нерегулярного обновле-
ния данных от ГАСО. Результаты моделирования с использованием модели, описывающей все
основные особенности работы ГАСО и ее взаимодействия с АНПА (задержки в получении ин-
формации, наличие шумов измерений и дискретизация данных ГАСО) показали достаточно
высокую эффективность предложенного решения. При этом в качестве основного преимуще-
ства можно указать возможность использования минимального количества бортовых датчи-
ков и возможность быстрого развертывания ГАСО для взаимодействия с АНПА.
Литература
Robotics, 2011, No. 4, pp. 221-231.
2. Yu L. et al. Inspection Robots in Oil and Gas Industry: a Review of Current Solutions and
Future Trends, 2019 25th International Conference on Automation and Computing (ICAC).
Lancaster, United Kingdom, 2019, pp. 1-6.
3. Filaretov V.F., Yukhimets D.A. i dr. Osobennosti sinteza vysokotochnykh sistem upravleniya
skorostnym dvizheniem i stabilizatsiey podvodnykh apparatov v prostranstve [Features of synthesis
of high-precision control systems for high-speed movement and stabilization of underwater
vehicles in space]. Vladivostok: Dal'nauka, 2016, 400 p.
4. Inzartsev A.V., Kamornyi A.V., Kiselev L.V. et al. The Integrated Navigation System of an
Autonomous Underwater Vehicle and the Experience from Its Application in High Arctic Latitudes,
Gyroscopy and Navigation, 2010, Vol. 1, No. 2, pp. 107-112.
5. Vaulin Yu.V., Dubrovin F.S., Shcherbatyuk A.F. Integrirovannaya sistema navigatsii i svyazi
ANPA «MMT-3000» i opyt ee ispol'zovaniya v rabotakh na glubokovodnykh protyazhennykh
trassakh [Integrated navigation and communication system of the AUV "MMT-3000" and experience
of its use in work on deep-water extended routes], Podvodnye issledovaniya i
robototekhnika [Underwater Investigations and Robotics], 2017, No. 2 (24), pp. 14-19.
6. Eustice R.M., Whitcomb L.L., Singh H., Grund M. Experimental Results in Synchronous-Clock
One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation for Autonomous Underwater Vehicles, Proc. of
the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. Rome, Italy, 2007, pp. 4257-4264.
7. Dubrovin F.S., Scherbatyuk A.F., Scherbatyuk D.A., Rodionov A.Yu., Vaulin Yu.V. Some algorithms
of differential-ranging acoustic positioning system intended for AUV group navigation,
Proc. of the OCEANS 2020 MTS/IEEE Conference, Singapore-U.S. Gulf Coast, 2020, pp. 1-4.
8. Vaulin Yu.V., Dubrovin F.S., Shcherbatyuk A.F., Shcherbatyuk D.A. Raznostno-dal'nomernaya
sistema navigatsii dlya obespecheniya gruppovoy raboty morskikh robototekhnicheskikh
kompleksov [Differential-ranging navigation system for group work of marine robotic complexes],
Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Investigations and Robotics],
2020, No. 2 (32), pp. 22-33.
9. Cario G., Casavola A., Djapic V., Gjanci P., Lupia M., Petrioli C., Spaccini D. Clock Synchronization
and Ranging Estimation for Control and Cooperation of Multiple UUVs, Proc. of
the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2016. Shanghai, China, 2016, pp. 1-9.
10. Antonelli G., Caffaz A., Casalino G., Pollini L. The Widely scalable Mobile Underwater Sonar
Technology (WiMUST) H2020 project: First year status, Proc. of OCEANS 2016. Shanghai,
China, 2016, pp. 1-8.
11. Caiti A., Calabrò V., Fabbri T., Fenucci D., Munafò A. Underwater communication and distributed
localization of AUV teams, Proc. of the 2013 MTS/IEEE OCEANS – Bergen. Bergen,
Norway, 2013, pp. 1-8.
12. Fallon M., Papadopoulos G., Leonard J. Cooperative AUV Navigation using a Single Surface
Craft, Field and Service Robotics: Results of the 7th Int. Conf., 2009, pp. 331-340.
13. Fallon M., Papadopoulos G., Leonard J., Patrikalakis N. Cooperative AUV Navigation using
a Single Maneuvering Surface Craft, The Int. J. of Robotics Research, 2010, Vol. 29, No. 12,
pp. 1-27.
14. Papadopoulos G., Fallon M., Leonard J., Patrikalakis N. Cooperative Localization of Marine
Vehicles using Nonlinear State Estimation, IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems,
2010, pp. 1-6.
15. Dubrovin F.S., Shcherbatyuk A.F. O metode otsenivaniya tochnosti raboty odnomayakovoy
mobil'noy navigatsionnoy sistemy podvodnogo apparata s pomoshch'yu vodnogo apparata,
osnashchennogo DGPS [About the method of evaluating the accuracy of the operation of a
single-beacon mobile navigation system of an underwater vehicle using a water vehicle
equipped with DGPS], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Investigations
and Robotics], 2016, No. 1, pp. 31-40.
16. Kebkal K.G. i dr. Gidroakusticheskie modemy s integrirovannymi tsezievymi chasami dlya
zadach podvodnogo pozitsionirovaniya avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh apparatov
[Hydroacoustic modems with integrated cesium clocks for underwater positioning tasks of autonomous
uninhabited underwater vehicles], Podvodnye issledovaniya i robototekhnika [Underwater
Investigations and Robotics], 2019, No. 2 (28), pp. 4–12.
17. Donovan G.T. Position Error Correction for an Autonomous Underwater Vehicle Inertial Navigation
System (INS) Using a Particle Filter, EEE Journal of oceanic engineering, 2012,
Vol. 37, No. 3, pp. 431-445.
18. Menna B.V., Villar S.A., Acosta G.G. Particle filter based autonomous underwater vehicle
navigation system aided thru acoustic communication ranging, Proc. of the OCEANS 2020
MTS/IEEE Conf., Singapore-U.S. Gulf Coast, 2020, pp. 1-10.
19. Filaretov V.F., Yukhimets D.A., Mursalimov E.Sh. Metod kompleksirovaniya dannykh s
navigatsionnykh datchikov podvodnogo apparata s ispol'zovaniem nelineynogo fil'tra Kalmana
[Method of Data Fusion from Navigation Sensors of Under-water Vehicle with Using Nonlinear
Kalman Filter], Mekhatronika, avtomatizatsiya i upravlenie [Mechatronics, automation and
control], 2012, No. 8, pp. 64-70.
20. Fossen T. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control. Jonh Willey & Sons,
Chichester, UK, 2011, 582 p.
21. Pantov E.N., Makhin E.E., Sheremetov B.B. Osnovy teorii dvizheniya podvodnykh apparatov
[Fundamentals of the theory of motion of underwater vehicles]. Leningrad: Sudostroenie,
1973, 209 p.
22. Filaretov V.F., YUkhimets D.A., Mursalimov E.Sh. Metod identifikatsii parametrov
matematicheskoy modeli podvodnogo apparata [Method of Parameters Identification of Mathematical
Model of Underwater Vehicle], Mekhatronika, avtomatizatsiya i upravlenie [Mechatronics,
automation and control], 2012, No. 10, pp. 64-70.
23. Ikonen E., Najim K. Advanced process identification and control. Marsel Dekker Inc, 2002,
310 p.
24. Golding B., Ross A., Fossen T. Identification of nonlinear viscous damping for marine vessels,
14th IFAC Symposium on System Identification. Newcastle, Australia, 2006, pp. 332-337.
25. Filaretov V.F., Yukhimets D.A., Zuev A.V., Gubankov A.S., Minaev D.D. Tsifrovaya plat-forma
dlya realizatsii raspredelennykh sistem upravleniya i navigatsii dlya podvodnykh
robototekhnicheskikh kompleksov [Digital platform for the creation of distributed control and
navigation systems for underwater vehicles], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya
SFEDU. Engineering sciences], 2021, No. 1, pp. 81-93.
