Обзор современных методов навигации групп автономных необитаемых подводных аппаратов



В статье рассматриваются современные методы навигации групп автономных необитаемых подводных аппаратов. В основе каждого из методов лежит взаимодействие гидроакустических навигационных станций с группами автономных необитаемых подводных аппаратов. При этом в каждом из методов предполагается, что каждый из аппаратов имеет гидроакустический канал обмена информацией с другими аппаратами, входящими в группу. Наиболее перспективным из методов принято считать предусматривающий существование ведущего автономного необитаемого подводного аппарата, обладающего всем необходимым набором навигационного оборудования, для точной оценки его местоположения. При этом местоположение остальных аппаратов в составе группы определяется лишь расстоянием от ведущего аппарата. Дана оценка применению надводных необитаемых аппаратов, выполняющих функции маяков, находящихся на поверхности, улучшающих навигацию группы подводных аппаратов. Приводятся достоинства и недостатки каждого из подходов.

Ключевые слова: автономный надводный аппарат, автономный подводный аппарат, гидроакустическая навигационная система.

Автономные необитаемые подводные аппараты находят широкое применение в сфере задач подводных исследований. Одними из многих таких задач являются патрулирование морских акваторий, геологическая шельфовая разведка, инспекция подводных робототехнических сооружений. При выполнении данного класса обычно необходимо использовать большой набор пространственно разнесенных датчиков. Одновременная эксплуатация нескольких автономных необитаемых аппаратов в составе группы позволяет на порядок улучшить качество получаемых данных в процессе уже привычных миссий, а также открывает возможности по решению задач подводных исследований, ранее недоступных при использовании одного аппарата. Это обусловлено введением некоторого уровня избыточности, позволяющей достигать выполнения поставленной задачи даже в случае выхода из строя одного из группы аппаратов.

Качество полученных данных определяется в основном навигационной привязкой. Задача навигации нескольких аппаратов в составе группы осложняется сравнительно с использованием одиночного аппарата не только объективно количеством контролируемых объектов, но и гидроакустическим взаимодействием аппаратов внутри группы. Необходимо минимизировать переотражения сигналов гидролокаторов, разграничить время связи каждого аппарата и т. д. Помимо этого необходимо обеспечить безопасность маневрирования аппаратов внутри группы с целью исключения коллизий аппаратов друг с другом и прочими объектами подводной среды.

В процессе изучения групповой навигации АНПА стало очевидно, что методы, применяемые для навигации одного аппарата неприменимы для навигации группы автономных необитаемых подводных аппаратов [8]. Поэтому существенный интерес уделяется разработке методов и алгоритмов решения задачи групповой навигации.

Данная статья является обзором современного состояния дел в методах решения задач групповой навигации автономных необитаемых подводных аппаратов. Статья разделена на 4 раздела. В первом разделе представлены методы навигации групп АНПА на основе асинхронного подхода, традиционно используемых для навигации одиночных АНПА. Во втором разделе описаны методы групповой навигации на основе синхронной гидроакустической навигационной системы. В третьем разделе рассмотрены современные подходы, в основе которых лежит идея организации взаимодействия АНПА друг с другом с целью обеспечения навигации группы в целом.

1. Применение асинхронных ГАНС для обеспечения навигации групп АНПА

Распространенным решением навигации групп АНПА принято считать применение асинхронной гидроакустической навигационной системы с длинной базой (ГАНС ДБ) с донными или поверхностными маяками-ответчиками (МО). Данный метод навигации основан на измерении времени отклика маяка ответчика на исходящий от подводного аппарата сигнал. Предполагается что в акватории на расстоянии не более 10–15 километров от подводного аппарата имеется набор МО (не менее 2), путем триангуляции полученных временных задержек отклика от маяков ответчиков устанавливается расстояние от МО до АНПА. При этом количество МО существенно улучшает точность определения местонахождения АНПА.

При реализации такого подхода для навигации групп АНПА возникает проблема при которой необходимо с заданной оптимальной периодичностью предоставлять гидроакустический канал связи каждому АНПА входящему в группу для определения своего местоположения. Что в свою очередь приводит к существенному затягиванию процесса навигации отдельно взятого подводного аппарата. При этом также возникают проблемы при необходимости добавления нового АНПА в состав существующей группы. Так как приходится выделять новое временное окно для нового подводного аппарата.

В работе [6] разработана комплексная система подводного позиционирования и связи для управления несколькими автономными подводными аппаратами. Она состоит из полупогружного автономного надводного аппарата, телеуправляемого необитаемого подводного аппарата и трех надводных буев. На рисунке 1 представлен общий вид предлагаемой комплексной системы.

В рамках этого проекта были использованы следующие технологии подводной навигации.

— полупогружного автономного надводного аппарата качестве ретрансляционной системы позиционирования и связи на движущейся поверхности;

— телеуправляемого необитаемого подводного аппарата в качестве ретрансляционной системы подводной связи;

— гидроакустическая навигационная система с длинной базой для индивидуальной ориентации АНПА.

Рис. 1. Общий вид предлагаемой комплексной системы

Разработана гидроакустическая навигационная система с маяками ответчиками находящимися на поверхности. Эта система состоит из трех акустических датчиков на каждом буе с системой динамического позиционирования. Каждый приемопередатчик на заранее определенном позиционирующем буе издает короткий звуковой сигнал на индивидуальной частоте (15, 16, 17 кГц). Время излучения синхронизировано с сигналом системы динамического позиционирования. АНПА в зоне действия трех буев могут принимать три сигнала приемопередатчика с помощью установленного гидрофона и вычислять свое местоположение по разнице во времени принятых сигналов, в дополнение к данным их датчика глубины. Схема предлагаемой гидроакустической навигационной системы показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема предлагаемой гидроакустической навигационной системы

Алгоритм решения навигационной задачи для группы АНПА в рамках проекта THESAURUS рассмотрен в работе [11]. Алгоритм использует данные от ГАНС УКБ и основан на фильтре Калмана (ФК) с учетом особенностей организации сетевой связи. В статье [10] предлагается метод навигации для подводных аппаратов, основанный на единой станции морского дна. Относительно единой станции морского дна АНПА могут оценивать свое местоположение без необходимости использования дорогостоящей инерциальной навигационной системы или трудоемкой калибровки. Метод подходит для автономных подводных аппаратов, поскольку не требуется никакой другой внешней помощи, кроме единой станции морского дна. Основная идея заключается в использовании взаимных акустических измерений между транспортным средством и единой станции морского дна. Принцип действия прост: АНПА начинает с акустического опроса единой станции морского дна и измеряет расстояние между двумя блоками, а также пеленг единой станции морского дна относительно АНПА в системе отсчета АНПА; затем, единая станция морского дна вычисляет пеленг АНПА относительно себя и передает эту информацию обратно в АНПА с помощью аналогичного акустического устройства. Объединяя эту информацию и вводя ее в структуру нелинейного фильтра, которая включает измерения скорости движения АНПА по земле и угловой скорости рыскания, АНПА вычисляет оценки своего положения и курса. В статье сообщается, что в рамках исследования была создана пара акустических устройств, названных устройствами акустической навигации и связи (акустический модем), способные обмениваться данными и вычислять их относительное положение. Ходовые испытания были проведены в октябре 2011 года с использованием АНПА Tri-Dog1 и пробного единая станция морского дна в заливе Кагосима в Японии. АНПА успешно провел навигацию вокруг единой станции морского дна на основе измерений устройствами акустической навигации и связи, установленного как на АНПА, так и на единую станцию морского дна. Эффективность метода была проверена с помощью моделирования, основанного на результатах эксперимента.

2. Методы навигации групп АНПА с использованием синхронных ГАНС

Подход обеспечивающий синхронную навигацию группы АНПА построен на эксплуатации ГАНС с ДБ в сферическом режиме. Маяки при данном подходе с определенной периодичностью излучают сигналы в это время каждый подводный аппарат из группы их принимает. Измеренное запаздывание пересчитывается в расстояние с учетом скорости распространения звуковой волны в толще воды. Поэтому при реализации такого подхода требует наличия на всех устройствах системы синхронизированных часов. В статье [2] представлена реализация системы акустической синхронизации и определения дальности для обеспечения контроля и взаимодействия нескольких автономных необитаемых подводных аппаратов. Представленное решение основано на синхронизации акустических часов и одностороннем ранжировании. Это требует минимальных расходов, обеспечивает при этом точную и быструю оценку относительных расстояний между узлами системы. Использование одностороннего ранжирования позволяет масштабироваться до больших групп АНПА и снижает энергопотребление методов локализации. Решение было реализовано на системе SUNSET. Точность времени запланированных передач была обеспечена акустическими модемами SeaModem. Атомные часы в размере микросхемы были интегрированы в SeaModem, чтобы преодолеть типичный дрейф часов реального времени, что в свою очередь позволило провести точную одностороннюю оценку расстояний от маяков до подводных аппаратов во время длительных миссий. Производительность предлагаемой системы была тщательно оценена в двух морских кампаниях с учетом различных сценариев тестирования. Практические результаты доказали, что схема способна поддерживать высокую точность позиционирования достаточно длительное время при этом, не требуя больших расходов и энергопотребления. В работе показано, что предложенная схема акустической синхронизации эффективна при синхронизации реального времени и атомных часов подводных узлов, когда в этом есть необходимость.

Статья [5] посвящена скоординированной работе автономного подводного аппарата и автономного надводного судна, и ее основной целью является разработка инфраструктуры, которая позволяет надводному судну динамически позиционировать себя над подводным аппаратом, в то время как последний собирает данные и осуществляет навигацию в режиме длинной базы, используя набор маяков, установленных в надводном аппарате находящимся в зоне действия. Помимо формальной постановки проблемы координации, представлены результаты как реальных экспериментов, так и симуляций, которые иллюстрируют предлагаемое решение.

В работе [9] рассматривается управление автономным надводным аппаратом для следования траектории, созданной автономным подводным аппаратом, когда последний выполняет любую заданную заранее запрограммированную миссию. Фактически, было доказано, что большой интерес представляет наличие автономного надводного аппарата, который мог бы следовать по поверхности и даже повторять траекторию, выполняемую АНПА, при выполнении заданной миссии. Чтобы достичь желаемого скоординированного движения между АНПА и автономного надводного аппарата, имело бы смысл просто запрограммировать каждый из АНПА с одной и той же миссией. Однако, из-за характера АНПА, миссий, а также из-за используемой системы локализации, при таком решении могли бы возникнуть некоторые проблемы, а именно связанные с временной синхронизацией, которую затруднительно преодолеть. Предлагаемое здесь решение пытается оценить положение АНПА, используя сигналы, которыми обмениваются первый и каждый из маяков сети акустической локализации, и управлять и приводить в действие автономный надводный аппарат в соответствии с этим. Результаты, полученные с помощью моделирования, составляют ошибки позиционирования в размере 10 мю Результаты моделирования позволяют сделать вывод об отличной производительности алгоритма в процессе отслеживания прямой траектории. Эта производительность снижается, когда автономный надводный аппарат меняет свое направление. Это может быть объяснено высокой степенью управляемости, демонстрируемой АНПА, чего трудно достичь с помощью надводного автономного аппарата. Практические результаты не так хороши, как моделирование, и увеличивают погрешности примерно до 20 метров.

3. Алгоритмы организации групповой навигации, основанные на использовании информации о дистанциях между АНПА внутри группы

Метод навигации группы АНПА без использования маяков рассмотрен в статье [4]. Имеется АНПА лидер, который определяет свое местоположение с высокой точностью. Остальные аппараты в группе определяют свое положение на основе счисления с использованием бортовых навигационных датчиков и уточняют его на основе данных о дальностях до аппарата лидера. В статье [7] описана ГАНС с мобильной базой. В данном случае несколько дорогих АНПА, оснащенных высокоточной навигационной системой, выполняют роль маяков для других более простых и дешевых АНПА. Описан эксперимент, в котором два исследовательских катера выполняют роль маяковой базы, а АНПА Bluefin 21 определяет свое местоположение. Аналогичная идея описана в работе [1], в которой в миссии участвовало два типа аппаратов: дорогой с навигационной системой высокой точности и дешевый с навигационной системой низкой точности. Требовалось с помощью гидроакустических модемов обеспечить навигацию дешевых аппаратов с точностью дорогих аппаратов. При решении задачи было выполнено сравнение метода триангуляции с ФК, где фильтр Калмана показал более высокую точность оценивания местоположения подводных аппаратов.

В статье [3] предложен единый метод совместной навигации ведущего и ведомого АНПА, который в основном фокусируется на планировании оптимального пути ведущего АНПА методом разницы во времени, при условии, что путь ведомого АНПА было запланировано. Сначала устанавливается модель совместной навигации с несколькими АНПА и анализируется наблюдаемая проблема системы. Во–вторых, для единой системы совместной навигации АНПА ведущий ведомый создана основанная на процессе принятия решений Маркова модель совместной навигации с несколькими АНПА, и разработан метод планирования пути ведущего АНПА на основе метода разницы во времени. Алгоритмы нелинейного расширенного фильтра Калмана и нелинейной фильтрации фильтра Калмана применяются для моделирования и проверки алгоритма, предложенного в этой статье. Результаты показывают, что теоретическую ошибку позиционирования ведомого АНПА можно регулировать примерно до 3,2 м, планируя траекторию ведущего АНПА с использованием метода разницы во времени. Этот метод может не только уменьшить ошибку наблюдения и ошибку позиционирования ведомого АНПА в течение всего процесса совместной навигации, но также поддерживать относительное расстояние измерения между ведущим АНПА и ведомым АНПА в соответствующем диапазоне.

Заключение

За последнее десятилетие появились существенные теоретические и практические результаты в области интеллектуального управления группами подводных аппаратов. Об этом говорит, как общее статей и вовлеченность международного научного сообщества в проблематику, так и активное внедрение опытных разработок в области промышленности, связанные с подводными исследованиями и разработкой. Последние разработки в области гидроакустической связи, а именно развития гидроакустических модемов позволили создать принципиально новые подходы к решению задач навигации групп АНПА. Последующее развитие методов навигации стоит ожидать в направлении коллективизации, объединения подводных аппаратов по решаемым задачам с целью улучшения качества получаемых данных.

Литература:

1. An Algorithm for Cooperative Navigation of Multiple UUVs / Zhang L., Xu D., Liu M., Yan W., Gao J. —// Proc. of the sixth Int. Symposium on Underwater Technology, UT2009, — 2009. — № 78. — P. 1–6.
2. Clock Synchronization and Ranging Estimation for Control and Cooperation of Multiple UUVs / Cario G., Casavola A., Djapic V., Gjanci P., Lupia M., Petrioli C., Spaccini D. —// Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2016. Shanghai, China.— 2016. — № 46. — P. 1–9.
3. Comparing Kalman and particle filter approaches to coordinated multi-vehicle navigation / Mirabellot D., Sandersont A., Blidberg D. —// Proc. of the Int. Conf. UUST 2007. — 2007. — № 78. — P. 1–6.
4. Cooperative Positioning and Navigation for Multiple AUV Operations / Baccou P., Jouvencel B., Creuze V., Rabaud C. —// Proc. of the MTS/ IEEE Int. Conf. and Exhibition OCEANS— 2001. — № 3. —P. 1816–1821.
5. Coordinated Operation of Autonomous Underwater and Surface Vehicles / Matos A., Cruz N. —// Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS — 2007. — № 46. — P. 1–6.
6. Development of a Regional Underwater Positioning and Communication System for Control of Multiple Autonomous Underwater Vehicles / Sasano M., Inaba S., Okamoto A. —// Proc. of the IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles (AUV). — 2016. — № 6. — P. 431–434.
7. Experimental Validation of the Moving Long Base Line Navigation Concept / Vaganay J., Leonard J., Curcio J., Willcox S. —// Proc. of the Int. Conf. AUV. — 2004. — № 4. — P. 1–7.
8. Group Navigation and Control for Marine Autonomous Robotic Complex Based on Hydroacoustic Communication / Scherbatyuk A., Dubrovin F., Rodionov A., Unru P. —// Proc. of the IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2016. — № 15. — P. 1388–1393.
9. Guidance and Control of an ASV in AUV Tracking Operations / Melo J., Matos A. —// Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2008. — 2008. — № 46. — P. 1–7.
10. Navigation Method for Underwater Vehicles Based on Mutual Acoustical Positioning With a Single Seafloor Station / Maki T., Matsuda T., Sakamaki T., Ura T., Kojima J. —// IEEE J. of Oceanic Engineering.— 2013. — Vol. 38. January. — P. 167–177.
11. Underwater communication and distributed localization of AUV teams / Caiti A., Calabrò V., Fabbri T., Fenucci D., Munafò A. —// Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS.. Bergen. — 2013. — № 33. — P. 1–8.