priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-12-1052-1064pribor-324Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, MANAGEMENT AND INFORMATION PROCESSINGАлгоритм длиннобазовой навигации автономного необитаемого подводного аппарата при отсутствии априорных данных о его местоположении и разреженном расположении маяковAlgorithm of long baseline navigation of an autonomous underwater vehicle in the absence of a priori data on its location under conditions of sparse beacon placementКошаевД. А.KoshaevD. A.

Дмитрий Анатольевич Кошаев - докт. техн. наук; вед. науч. сотр.

Санкт-Петербург

Dmitrу A. Koshaev - Dr. Sci.; Leading Researcher

St. Petersburg

dkoshaev@yandex.ruБогомоловВ. В.BogomolovV. V.

Владимир Валентинович Богомолов - начальник сектора

Санкт-Петербург

Vladimir V. Bogomolov - Head of a Sector

St. Petersburg

bogomolov.v.v@yandex.ruКонцерн «ЦНИИ „Электроприбор“»; Университет ИТМОConcern CSRI Elektropribor, JSCКонцерн «ЦНИИ „Электроприбор“»; Университет ИТМОConcern CSRI Elektropribor, JSC; ITMO University202424012025671210521064Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/324

Разработан рекуррентный алгоритм определения координат автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) с использованием разномоментных измерений дальностей до гидроакустических маяков и данных относительного лага и курсоуказателя. Предполагается, что априорные координаты АНПА неизвестны, а из-за разреженного расположения маяков по одномоментным измерениям невозможно получить однозначное навигационное решение. Алгоритм запускается при первом получении одновременных измерений от двух маяков. Предусматривается совместная обработка текущих и сохраненных до запуска алгоритма измерений с помощью фильтра Калмана. Неоднозначность местоположения АНПА разрешается согласно отношению апостериорных вероятностей альтернатив. Представлены результаты моделирования и обработки натурных данных, а также оценки быстродействия, подтверждающие эффективность разработанного алгоритма.

A recursive algorithm is developed to determine coordinates of an autonomous underwater vehicle (AUV) using measurements of ranges to acoustic beacons, taken at different times, together with relative lag and course indicator data. It is assumed that a priori coordinates of the AUV are unknown, and the unambiguous navigation solution cannot be obtained from one-shot measurements due to a sparse beacon location. The algorithm is started upon the first receipt of simultaneous measurements from two beacons. Joint processing of current and saved measurements before the algorithm launch is provided using the Kalman filter. The ambiguity of the AUV location is resolved according to the ratio of a posteriori probabilities of alternatives. The results of modeling and processing of field data, as well as performance assessments, confirming the efficiency of the developed algorithm are presented.

автономный необитаемый подводный аппаратметод длинной базысистема счисленияфильтр Калманаразрешение неоднозначностиautonomous underwater vehiclelong baseline methodnotationKalman filterambiguity resolutionИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-19-00626, https://rscf.ru/project/23-19-00626/.The study was supported by the grant of the Russian Science Foundation No. 23-19-00626, https://rscf.ru/project/23-19-00626/.ReferencesPaull L., Saeedi S., Seto M., Li H. AUV Navigation and Localization: A Review // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2014. Vol. 39, N 1. P. 131–149. DOI 10.1109/JOE.2013.2278891.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.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.Kebkal K.G., Mashoshin A.I. Giroskopiya i Navigatsiya, 2016, no. 3, pp. 115–130, DOI 10.17285/0869-7035.2016.24.3.115-130.Матвиенко Ю. В., Инзарцев А. В., Киселев Л. В., Щербатюк А. Ф. Перспективы повышения эффективности автономных подводных роботов // Изв. ЮФУ. Технические науки. 2016. № 1(174). С. 123–141.Matvienko Yu.V., Inzartsev A.V., Kiselev L.V., Shcherbatyuk A.F. Izvestiya SFEDU. Engineering Sciences, 2016, no. 1(174), pp. 123–141.(in Russ.)Степанов О. А. Методы обработки навигационной измерительной информации. СПб: Университет ИТМО, 2017. 196 с.Stepanov O.A. Metody obrabotki navigatsionnoy izmeritel’noy informatsii (Methods of Processing Navigational Measurement Information), St. Petersburg, 2017, 196 р.Sigiel N. Methods of autonomous underwater vehicles positioning // Scientific Journal of Polish Naval Academy. 2019. Vol. 1. P. 31–43. DOI 10.2478/sjpna-2019-0003.Sigiel N. Scientific Journal of Polish Naval Academy, 2019, vol. 1, pp. 31–43, DOI 10.2478/sjpna-2019-0003.González-García J., Gómez-Espinosa A., Cuan-Urquizo E., García-Valdovinos L. G., Salgado-Jiménez T., and Cabello J. A. E. Autonomous Underwater Vehicles: Localization, Navigation, and Communication for Collaborative Missions // Applied science. 2020. Vol. 10, N 4. Р. 1256. DOI 10.3390/app10041256.González-García J., Gómez-Espinosa A., Cuan-Urquizo E., García-Valdovinos L.G., Salgado-Jiménez T. and Cabello J.A.E. Applied Science, 2020, no. 4(10), pp. 1256, DOI 10.3390/app10041256.Кошаев Д. А. Многоальтернативный алгоритм одномаяковой навигации автономного необитаемого подводного аппарата без априорных данных о его местоположении. Ч. 1. Математическое описание // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2(109). С. 109–130. DOI 10.17285/0869-7035.0035.Koshaev D.A. Giroskopiya i Navigatsiya, 2020, no. 2(28), pp. 109–130. (in Russ.)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.Shcherbatyuk D.A. Underwater Investigations and Robotics, 2021, no. 4(38), pp. 50–57, DOI: 10.37102/1992-4429_2021_38_04_05. (in Russ.)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.Koshaev D.A. Gyroscopy and Navigation, 2022, no. 4(13), pp. 262–275.Машошин А. И., Пашкевич И. В. Алгоритмы позиционирования автономного необитаемого подводного аппарата в процессе приведения и причаливания к подводному причальному устройству // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31, № 1(120). C. 103–119.Mashoshin A.I., Pashkevich I.V. Giroskopiya i Navigatsiya, 2023, no. 1(31), pp. 103–119. (in Russ.)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 // Изв. ЮФУ. Технические науки. 2023. № 1. С. 265–274. DOI 10.18522/2311-3103-2023-1-265-274.Gruzlikov A.M., Karaulov V.G., Mukhin D.A., Shalaev N.A. Izvestiya SFEDU. Engineering Sciences, 2023, no. 1, pp. 265–274, DOI 10.18522/2311-3103-2023-1-265-274.Пашкевич И. В., Мартынова Л. А. Метод уменьшения погрешности определения местоположения АНПА при посадке на подводное причальное устройство // Сб. матер. XVIII Всерос. науч.-практ. конф. „Перспективные системы и задачи управления“. 2023. С. 334–343.Pashkevich I.V., Martynova L.A. Perspektivnyye sistemy i zadachi upravleniya (Advanced Systems and Control Problems), Collection of Materials of the XVIII All-Russian Scientific and Practical Conference, 2023, рр. 334–343. (in Russ.)Дмитриев В. И., Рассукованый Л. С. Навигация и лоция, навигационная гидрометеорология, электронная картография. М.: Моркнига, 2016. 457 с.Dmitriev V.I., Rassukovany L.S. Navigatsiya i lotsiya, navigatsionnaya gidrometeorologiya, elektronnaya kartografiya (Navigation and Pilotage, Navigational Hydrometeorology, Electronic Cartography), Moscow, 2016, 457 р. (in Russ.)Богомолов В. В. Анализ эффективности нелинейных решений задачи навигации подводных аппаратов // Матер. ХXIII конф. молодых ученых с международным участием. СПб, 2021. С. 223–227.Bogomolov V.V. Materialy XXIV konferentsii molodykh uchenykh s mezhdunarodnym uchastiyem (Proc. of the XXIII Conf. of Young Scientists with International Participation), St. Petersburg, 2021, рр. 223–227. (in Russ.)Медич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. М.: Энергия, 1977. 440 с.Meditch J.S. Stochastic optimal linear estimation and control, NY, Mc. Graw Hill., 1969, 394 p.Богомолов В. В. Оценка эффективности нелинейных навигационных решений по разномоментным измерениям дальности до гидроакустических маяков // Матер. ХXIV конф. молодых ученых с международным участием. СПб, 2022. С. 120–123.Bogomolov V.V. Materialy XXIV konferentsii molodykh uchenykh s mezhdunarodnym uchastiyem (Proc. of the XXIV Conf. of Young Scientists with International Participation), St. Petersburg, 2022, рр. 120–123. (in Russ.)Богомолов В. В., Кошаев Д. А. Алгоритм позиционирования подводного аппарата по измерениям дальности до маяков при их недостаточном для одномоментного навигационного решения количестве // Матер. ХХХIII конф. памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб, 2022. С. 66–69.Bogomolov V.V., Koshaev D.A. Materialy XXXIII konferentsii pamyati vydayushchegosya konstruktora giroskopicheskikh priborov N.N. Ostryakova (Proc. of the XXXIII Conf. in Memory of the Outstanding Designer of Gyroscopic Devices N.N. Ostryakov), St. Petersburg, 2022, рр. 66–69. (in Russ.)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.Bogomolov V.V. Underwater Investigations and Robotics, 2024, no. 2(48), pp. 58–67, DOI: 10.37102/1992-4429_2024_48_02_07. (in Russ.)Bogomolov V. AUV Positioning By The Ranges to Less than Three Acoustic Beacons Based on Recursive Bayesian Estimation // Proc. of the 2023 Intern. Conf. on Ocean Studies (ICOS). Vladivostok, Russian Federation, 2023. P. 037–040. DOI 10.1109/ICOS60708.2023.10425637.Bogomolov V. Proc. of the 2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS), Vladivostok, 2023, pp. 037–040, DOI 10.1109/ICOS60708.2023.10425637.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.Koshaev D.A. Automation and Remote Control, 2016, no. 6(77), pp. 1009–1030.Степанов О. А., Исаев А. М. Методика сравнительного анализа рекуррентных алгоритмов нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации на основе предсказательного моделирования // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31, № 3(122). С. 48–65.Stepanov O.A., Isaev A.M. Giroskopiya i Navigatsiya, 2023, no. 3(31), pp. 48–65. (in Russ.)

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