Способ повышения точности навигации автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой и системой технического зрения
METHOD OF INCREASING ACCURACY OF NAVIGATION OF AUTONOMOUS UNINHABITED UNDERWATER VEHICLE WITH INERTIAL NAVIGATION SYSTEM AND TECHNICAL VISION SYSTEM

Изобретение относится к области навигации и может быть использовано для повышения точности оценивания местоположения автономных необитаемых подводных аппаратов с инерциальной навигационной системой и системой технического зрения.
Известен способ навигации автономного необитаемого подводного аппарата, в котором осуществляют определение координат места по подводным ориентирам путем измерения рельефа дна бортовой акустической аппаратурой, формирование регулярной сетки точек измеренных глубин и сравнение полученных значений глубин с эталонными глубинами, в котором при определении координат места по подводным ориентирам определяют скорость погружения автономного необитаемого подводного аппарата посредством лага для измерения скорости автономного необитаемого подводного аппарата относительно водной поверхности. При этом выполняют измерения гидрологических параметров посредством гидролокатора бокового обзора, профилографа, измерителей температуры и электропроводности, и скорости звука в морской среде, по измеренным глубинам восстанавливают рельеф местности путем построения деревьев Кронрода-Риба при сравнении измеренных значений глубин с эталонными значениями (RU 2563332, МПК G01 C 23/00, опубл. 20.09.2015) .
Недостатком известного способа определения координат аппарата является то, что навигации происходит по заранее известным эталонным картам местности. Кроме того, определение координат подводного аппарата производится с помощью средств уточнения координат относительно заранее известных объектов. К тому же из-за постоянной изменяющейся донной поверхности, необходимо заранее составлять карту местности.
Известны способы навигации автономного необитаемого подводного аппарата, которые определяют координаты положения по маякам-ответчикам (RU 2119172, МПК G01S 5/02, опубл. 20.09.1998, RU 2084923, МПК G01S 15/08, опубл. 20.09.2015, RU 2460043, МПК G01C 23/00, опубл. 27.08.2012, RU 2456634, МПК G01 S15/06, опубл. 20.07.2012).
Недостатком известных способов является то, что требуется установка маяков-ответчиков и привязки их к месту, что является дорогостоящим и затратным по времени решением.
Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ снижения погрешности оценок собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой, заключающийся в том, что при движении автономного необитаемого подводного аппарата по заданной траектории выделяют один или несколько заранее неизвестных неподвижных подводных объектов, обнаруженных средствами технического зрения, корректируют собственные координаты подводного аппарата на основе формирования модели его относительного движения по отношению к наблюдаемым подводным объектам с заранее неопределенным координатами, затем после обнаружения средствами технического зрения получают наблюдение, затем усредняют несколько наблюдений, определяют координаты заранее неизвестного неподвижного обнаруженного объекта с дисперсией, далее производят объединение оценки координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата и оценки координаты положения полученной за счет использования системы технического зрения и получают оценку координаты положения подводного аппарата с дисперсией ошибки меньшей чем в случае без использования технического зрения, а в случае использования одновременно нескольких заранее неизвестных неподвижных подводных объектов получают наблюдения для каждого из них, с использованием которых определяют дополнительные оценки собственных координат движущегося автономного необитаемого подводного аппарата (RU 2520960, МПК G01С 21/00, опубл. 27.06.2014).
Недостатками прототипа является то, что в техническом решении отсутствует механизм активной смены, добавления и исключения заранее неизвестных неподвижных подводных объектов оказывающихся в зоне видимости системы технического зрения и участвующих в процессе оценивания координаты положения движущегося подводного аппарата.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышение точности навигации автономного необитаемого подводного аппарата движущегося вдоль заданной траектории.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что при активной смене, добавлении и исключении заранее неизвестных неподвижных подводных ориентиров выбирается наилучшая комбинация, способствующая наилучшей оценки определения координаты положения с наименьшей дисперсией оценивания координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата.
Сущность изобретения заключается в том, что способ повышения точности навигации автономного необитаемого подводного аппарата с инерциальной навигационной системой и системой технического зрения, заключается в том, что при движении вдоль заданной траектории, относительно которой расположены заранее неизвестные неподвижные подводные объекты, в зоне видимости системы технического зрения наблюдают n-ое количество заранее неизвестных неподвижных подводных объектов, далее с помощью итерационного процесса получают оценки положения каждого неподвижного подводного объекта с дисперсией оценивания, затем значения оценок с дисперсией оценивания, координат подводного объекта записывают и на каждом шаге обновляют, при этом сравнивают с собственным предыдущим значением. Далее получают количество сочетаний без повторений всех комбинаций подводных объектов, затем выбирают сочетание, в котором наименьшее значение дисперсии оценивания координат подводных объектов, далее производят объединение оценки координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата полученной с помощью инерциальной навигационной системой с оценкой координаты положения подводного аппарата полученной с помощью системы технического зрения на основании относительного движения аппарата к подводным объектам. Затем значение объединенной оценки с дисперсией оценивания записывают и на каждом шаге обновляют, при этом сравнивают с предыдущим значением, в случае выхода одного или нескольких подводных объектов из зоны видимости системы технического зрения, происходит скачкообразное возрастания дисперсии оценивания объединенной оценки координаты положения подводного аппарата, которое фиксируют путем сравнения с предыдущим значением. Затем производят исключение одного или нескольких неподвижных подводных объектов из процесса оценивания координат положения автономного необитаемого подводного аппарата с наибольшими дисперсиями оценивания положения, потом получают количество сочетаний и выбирают комбинацию с наименьшей дисперсией оценивания координат подводного объекта. Затем производят объединение оценки координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата полученной с помощью инерциальной навигационной системой с оценкой координаты положения подводного аппарата полученной с помощью системы технического зрения на основании относительного движения аппарата к подводным объектам, затем значение объединенной оценки с дисперсией оценивания записывают и на каждом шаге обновляют. При этом сравнивают с предыдущим значением, в случае появления в зоне видимости системы технического зрения нового подводного объекта получают его оценку положения с дисперсией, затем записывают и сравнивают с предыдущим значением. Далее получают количество сочетаний без повторений всех комбинаций неподвижных подводных объектов  с включенным новым подводным объектом, затем выбирают сочетание, в котором наименьшие дисперсии оценивания координат подводного аппарата. Далее производят объединение оценки координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата полученной с помощью инерциальной навигационной системой с оценкой координаты положения подводного аппарата полученной с помощью системы технического зрения на основании относительного движения аппарата к подводным объектам, затем значение объединенной оценки c дисперсией оценивания записывают и на каждом шаге обновляют, при этом сравнивают с предыдущим значением.
Принцип действия заключается в активной смене, добавлении и исключении заранее неизвестных неподвижных подводных объектах с более точными оценками координат собственного положения, оказавшихся в зоне видимости системы технического зрения, и на основе использующихся оценок координат положения объектов снижение погрешности оценивания собственных координат автономного необитаемого подводного аппарата.
При движении автономного необитаемого подводного аппарата, имеющего оценку одной координаты:  с дисперсией оценивания , где  – приращение дисперсии за 1 шаг, при использовании инерциальной навигационной системы и доплеровского лага,  вдоль заданной траектории, в зоне видимости системы технического зрения обнаруживаются n-ое   количество заранее неизвестных неподвижных подводных объектов, на основании наблюдений, которые имеют вид для каждого подводного объекта:
,
где  - погрешность измерения системы технического зрения с дисперсией ,  получают оценку координаты каждого подводного объекта   с текущей дисперсией оценивания .
Затем производят запись в память оценок координат текущего положения  с текущей дисперсией оценивания  для каждого заранее неизвестного неподвижного подводного объекта в порядке возрастания и производят сравнение с предыдущим значением дисперсией оценивания   каждого подводного объекта, при этом значения хранятся в памяти до тех пор, пока дисперсия оценивания координаты положения подводного объекта не начнет скачкообразно возрастать относительно своего предыдущего положения: , что свидетельствует об отдалении подводного аппарата движущегося по заданному маршруту от неподвижного подводного объекта, который, в случае сравнения с оценками других подводных объектов обладает значительно большей дисперсией оценивания координаты собственного положения, чем у другого подводного объекта, будет исключен из процесса оценивания координаты автономного необитаемого подводного аппарата.
Далее производят расчет сочетаний без повторений , где m=1...(n-1), затем выбирают комбинацию, в которой оценки координат положения каждого неподвижного объекта с дисперсией оценивания имеют наименьшее значение.
На следующем шаге производится объединение оценки координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата полученной с помощью инерциальной навигационной системы:  с дисперсией оценивания: и оценки положения координат автономного необитаемого подводного аппарата полученной с помощью системы технического зрения на основании относительного движения по отношению к наблюдаемым подводным объектам:  с дисперсией оценивания .
В результате получается объединенная оценка координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата с дисперсией ошибки оценивания меньше, чем в случае использования только инерциальной навигационной системы:  <<, так как погрешность системы технического зрения очень мала по отношению к инерциальной навигационной систем, что свидетельствует о том, что рост ошибки определения собственной координаты подводного аппарата значительно замедлится: , а при использовании большего числа ориентиров остановится, затем объединенная оценка записывается в память, на каждом шаге обновляется и сравнивается с предыдущим значением.
В случае скачкообразного возрастания дисперсии оценивания объединенной оценки координаты положения подводного аппарата: , происходит выход подводного неподвижного объекта из зоны видимости системы технического зрения, о чем свидетельствует скачкообразное возрастание дисперсии ошибки оценивания положения подводного объекта . На следующем шаге происходит исключение подводного объекта из процесса оценивания координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата.
При появлении нового заранее неизвестного неподвижного подводного объекта в зоне видимости системы технического зрения, получают его оценку координаты положения:  с текущей дисперсией оценивания , затем записывают, на каждом шаге обновляют и сравнивают с предыдущим значением дисперсией оценивания  и производят сравнение его оценки с оценками других подводных объектов. В случае, когда дисперсия оценивания координаты положения другого подводного объекта выше, чем у появившегося нового ориентира, то объект с наибольшей дисперсией оценивания координаты собственного положения исключают из процесса оценивания координаты собственного положения автономного необитаемого подводного аппарата.
Затем выбирают наилучшую комбинацию подводных объектов, находящихся в зоне видимости системы технического зрения с наименьшими дисперсиями оценивания координат положения подводных объектов и объединяют оценку координаты положения автономного необитаемого подводного аппарата на основании модели движения с использованием инерциальной навигационной системы с оценками, полученными на основании движения подводного аппарата относительно заранее неизвестных неподвижных подводных объектов с помощью системы технического зрения.
По сравнению с известным решением заявленное позволяет повысить точность определения координаты собственного положения автономного необитаемого подводного аппарата в несколько раз за счет значительного снижения роста погрешности при активной смены, включения и исключения из процесса оценивания координат автономного необитаемого подводного аппарата заранее неизвестных неподвижных подводных объектов обнаруженных системой технического зрения.