一种移动声学参考支持的空水跨域异构平台协同观测方法及系统与流程

本发明涉及海洋环境协同观测与水下机器人导航，尤其涉及一种移动声学参考支持的空水跨域异构平台协同观测方法及系统。

背景技术：

1、海洋观测是获取海洋环境信息、开展海洋资源利用和生态保护的重要技术基础。近岸浅水区域受潮汐、波浪、地形、生境及人类活动等因素共同影响，水深、水动力条件、岸线出露范围、平台可航行区域以及观测目标的可达性随时间变化，具有较强的时空异质性。针对珊瑚礁等浅水生态区域，观测系统不仅需要快速搜索和识别优先观测目标，还需要引导水下平台抵近目标开展精细观测或原位采样，因而对观测平台的快速部署、跨域转移、定位制导和数据回收能力提出了较高要求。

2、现有浅水观测方式主要包括固定式观测设备、调查船、无人水面艇、自主水下航行器和无人机观测。固定式观测设备受布设位置和覆盖范围限制，难以根据目标位置变化实施移动观测；潮间带外场观测还受到低潮出露时间和波浪条件制约。传统调查船及大型水面平台吃水较深、机动性有限，难以进入浅滩、礁区等可航行范围受限的区域。无人水面艇和自主水下航行器虽然能够开展移动观测，但单一平台的搜索范围、目标识别能力和任务持续性仍受到载荷、能源及通信条件限制。无人机能够快速搜索较大范围并初步识别观测目标，但难以独立完成近距离水下观测和原位采样。

3、为发挥不同类型平台的能力优势，现有技术采用无人机、无人水面艇和自主水下航行器构建异构协同观测系统，典型形式包括空中与水面协同、水面与水下协同以及空中、水面与水下协同系统。此类系统能够按照各平台的环境适应性组织搜索、定位、引导和观测任务。然而，在近岸浅水环境中，多个独立平台需要分别完成部署、通信组网、任务协调和回收，并根据水深、岸线出露范围及目标可达性的变化调整任务计划。在水下通信带宽和作用距离受限的情况下，多个平台之间的状态共享与任务协同较为困难，导致系统组成复杂、部署协调环节较多，不利于快速响应和灵活作业。

4、在水下平台定位与导航方面，惯性导航系统具有自主性强和不依赖外部信号的特点，但在缺少外部观测校正时，其定位误差会随运行时间累积，通常需要通过上浮定位或其他外部信息进行校正，从而影响连续水下观测。长基线声学定位系统能够提供较高的定位精度，但需要预先布放和标定多个水下应答器，布放与回收过程较为复杂，难以适应快速部署或临时观测任务。短基线和超短基线声学定位系统布设相对便捷，但通常依赖可达且相对稳定的水面载体，在可航行区域受限、水深变化明显且水面平台容易受到风浪扰动的近岸浅水环境中，固定水面声学参考的覆盖范围和使用条件受到限制。

5、此外，浅水环境中的多径传播、环境噪声以及声学参考平台运动，可能造成声学测量更新频率较低、测量异常或数据间歇缺失。当声学参考位置发生改变或者声学测量暂时不可用时，仅依赖声学测量的定位与制导方法难以连续获得水面平台与水下航行器之间的相对运动状态，从而影响水下航行器的稳定跟踪及协同观测任务的连续实施。

6、水空两栖航行器能够在空中飞行和水面航行模式之间切换，可利用空中飞行能力快速到达目标区域，并利用水面航行或定点保持能力执行水面作业。与分别部署无人机和无人水面艇的方式相比，该类平台有助于减少独立平台数量并简化部署过程。然而，现有相关技术主要集中于跨介质平台自身的构型设计、动力学建模、模式转换控制及原型验证，其有效载荷和持续感知能力仍然有限，与水下观测平台之间的定位、制导和任务协同能力尚不完善。

7、因此，现有技术难以同时兼顾近岸浅水环境下的目标感知、快速跨域部署、声学参考灵活迁移、间歇声学测量条件下的连续相对状态获取以及多种观测任务中的稳定协同制导。如何在减少独立平台数量和部署协调环节的基础上，实现空中快速搜索与转移、水面定位支持与水下抵近观测之间的有效衔接，是近岸浅水跨域协同观测领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有近岸浅水观测系统存在独立平台数量较多、部署和回收过程复杂、固定声学参考覆盖范围有限，以及在低频、异常或间歇声学测量条件下难以保持水面平台与水下航行器连续相对定位和稳定协同制导等问题，本发明提供一种移动声学参考支持的空水跨域异构平台协同观测方法及系统。

2、本发明的目的在于利用水空两栖航行器兼具空中快速搜索与转移、水面航行和水面定点保持的能力，搭载水声信标建立能够快速部署、迁移和保持的水面声学参考；自主水下航行器搭载被动逆超短基线接收阵列，并融合声学测量与惯性测量信息获得相对于所述声学参考的连续状态估计，在此基础上按照目标空间分布和观测任务执行局部观测、多目标离散观测或廊道目标连续观测。

3、为实现上述目的，本发明提供一种移动声学参考支持的空水跨域异构平台协同观测方法，包括以下步骤，如图1所示。

4、 s1，水空两栖航行器携带水声信标由岸基作业平台起飞，并飞抵待观测海域上空。

5、 s2，水空两栖航行器沿预定空中路径搜索待观测海域，确定至少一个观测目标区域，并根据观测目标区域的位置、范围、空间分布或预定观测路径，确定声学参考运行模式、自主水下航行器的观测机动模式及观测顺序。

6、 s3，完成空中搜索任务后，水空两栖航行器携带水声信标降落至水面，由空中飞行状态切换至水面作业状态，并进入初始观测目标区域。

7、 s4，水空两栖航行器根据观测顺序和声学参考运行模式，通过水面航行或空中飞行转移至与当前观测目标区域对应的声学参考作业位置，并进入水面作业状态。

8、 s5，水空两栖航行器根据声学参考运行模式进行水面定点保持、水面离散转移、空中离散转移或连续水面航行；在其处于水面作业状态且水声信标浸入水中时，由水声信标向水下发射声学定位信号，以在当前观测目标区域建立固定声学参考、离散移动声学参考或连续移动声学参考。

9、 s6，自主水下航行器融合被动逆超短基线接收阵列获取的声学测量信息与惯性测量单元获取的运动信息，估计其相对于水声信标的运动状态，并根据估计结果和观测机动模式进行导航与制导，以接近、环绕、跟随或区域覆盖方式开展水下观测。

10、当存在多个观测目标区域时，在完成当前观测目标区域的水下观测后返回步骤s4，使水空两栖航行器转移至下一观测目标区域并重新建立声学参考，自主水下航行器在重新建立的声学参考引导下继续实施水下观测，直至完成全部观测目标区域的观测任务。

11、进一步地，水空两栖航行器至少具有空中飞行模式、水面航行模式和水面定点保持模式。在空中飞行模式下，水空两栖航行器携带水声信标跨越水面障碍或在相距较远的目标区域之间快速转移；在水面航行模式下，水空两栖航行器携带水声信标沿水面移动；在水面定点保持模式下，水空两栖航行器利用水面推进单元补偿风、浪和水流引起的位置偏移。

12、进一步地，水面定点保持模式采用动力定位方式，将预定水面位置设置为虚拟锚点，根据卫星导航信息和惯性导航信息估计水空两栖航行器相对于虚拟锚点的位置和航向，并根据位置误差和航向误差控制水面推进单元，使水空两栖航行器及其携带的水声信标保持在预定区域内。

13、进一步地，根据观测目标区域的空间分布和目标区域之间的可通行条件，从固定声学参考观测模式、水面离散点引导观测模式、空中离散点引导观测模式以及水面连续引导观测模式中选择一种运行模式。

14、进一步地，水声信标通过系绳悬挂于水空两栖航行器下方，并在水空两栖航行器处于水面作业状态时浸入水中。任务开始前，水声信标和被动逆超短基线接收阵列分别利用卫星导航系统提供的每秒一脉冲信号校准本地时钟，并在任务执行过程中利用本地振荡器维持时间基准。

15、进一步地，被动逆超短基线接收阵列通过匹配滤波估计声学定位信号的单向传播时间，并根据单向传播时间计算水声信标与接收阵列之间的斜距；通过阵列波束形成处理，根据多个水听器接收信号的相位差确定声学定位信号的到达方向，并从到达方向中提取水平达波方向。

16、进一步地，声学定位信号中设置有通信载荷，用于在水空两栖航行器与自主水下航行器之间传递任务指令、工作模式或状态信息。

17、进一步地，对声学测量信息进行有效性判断，并将有效声学测量信息与惯性测量单元获取的运动信息进行融合，得到自主水下航行器相对于水声信标的相对状态估计；当声学测量异常或暂时缺失时，利用惯性测量信息维持状态预测，或控制自主水下航行器进入预设安全运行状态。

18、进一步地，根据相对状态估计和观测任务要求选择相应的几何制导模式，生成自主水下航行器的导航与控制指令，使自主水下航行器执行目标接近、环绕观测、区域覆盖或连续跟随中的至少一种观测机动。

19、进一步地，在固定声学参考观测模式下，水空两栖航行器在目标区域附近进行水面定点保持，使水声信标形成相对固定的水面声学参考；自主水下航行器根据该水面声学参考执行局部观测任务。

20、进一步地，在水面离散点引导观测模式下，水空两栖航行器在多个预定声学参考作业位置之间依次水面航行，并在每个声学参考作业位置进行水面定点保持；自主水下航行器根据各声学参考作业位置依次执行目标接近和局部观测。

21、进一步地，在空中离散点引导观测模式下，水空两栖航行器通过空中飞行跨越水面不可通行区域或在相距较远的声学参考作业位置之间转移，并在每次降落水面后重新建立声学参考。

22、进一步地，在水空两栖航行器进行空中转移且声学链路暂时中断期间，自主水下航行器保持定深等待、沿预设等待轨迹运动或进入安全运行状态；水空两栖航行器到达下一声学参考作业位置并重新进入水面后，重新建立声学链路，自主水下航行器恢复对移动声学参考的跟踪。

23、进一步地，在水面连续引导观测模式下，水空两栖航行器沿预定水面路径连续航行，水声信标持续向自主水下航行器提供声学定位信号；自主水下航行器根据连续相对状态估计调整运动，使其与水空两栖航行器保持预定相对关系，并沿珊瑚礁边缘、岸线、水下管线、防波堤、水下通道或其他廊道状目标执行连续观测。

24、本发明还提供一种移动声学参考支持的空水跨域异构平台协同观测系统，用于实施上述协同观测方法。所述协同观测系统包括水空两栖航行器、水声信标、自主水下航行器和被动逆超短基线接收阵列。

25、水空两栖航行器包括空中推进单元、水面推进单元、浮力单元、机载导航单元和航行控制单元。空中推进单元用于实现空中飞行、垂直起降和空中转移；水面推进单元用于实现水面航行、偏航控制和水面定点保持；机载导航单元用于获取水空两栖航行器的位置、速度、姿态和航向；航行控制单元用于根据当前工作模式协调空中推进单元和水面推进单元。

26、水声信标与被动逆超短基线接收阵列构成被动逆超短基线水下声学定位系统。水声信标设置于水空两栖航行器上，并在水空两栖航行器处于水面状态时浸入水中，用于发射声学定位信号，从而形成随水空两栖航行器移动的水面声学参考。

27、自主水下航行器包括水下推进单元、深度传感器、惯性测量单元、相对状态估计模块、制导模块、底层运动控制器。

28、被动逆超短基线接收阵列安装在自主水下航行器上，并包括多个水听器，用于接收水声信标发射的声学定位信号，根据多通道接收信号获得水平达波方向和斜距；惯性测量单元用于以高于声学测量更新频率的频率获取自主水下航行器的运动信息。

29、相对状态估计模块用于识别异常声学测量，将惯性测量信息用于相邻有效声学测量之间的状态预测，并在获得有效声学测量时对预测状态进行校正，以输出自主水下航行器相对于水声信标的连续相对状态估计。

30、制导模块用于根据相对状态估计、期望观测深度和与观测机动模式对应的几何参数生成期望航向、期望深度或速度指令；底层运动控制器用于将所述指令转换为水下推进单元的控制指令。

31、任务管理模块用于根据观测目标区域的空间分布选择固定声学参考观测模式、水面离散点引导观测模式、空中离散点引导观测模式或水面连续引导观测模式，并协调水空两栖航行器的工作模式与自主水下航行器的观测机动模式。

32、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果。

33、第一，本发明利用水空两栖航行器同时承担空中快速搜索与转移以及水面声学支持任务，无需分别部署独立的空中平台和水面声学参考平台，能够减少平台数量以及平台部署、通信组网和任务协调环节，提高近岸浅水观测任务的快速响应能力。

34、第二，本发明将水声信标搭载于水空两栖航行器，使声学参考能够通过水面航行或空中飞行在不同观测区域之间迁移，并能够通过水面定点保持形成相对稳定的声学参考，扩大自主水下航行器的有效观测范围，降低对预先布设和标定固定声学基站的依赖。

35、第三，本发明将被动逆超短基线声学测量与惯性测量相结合，在相邻声学测量之间利用惯性测量信息维持状态预测，并在获得有效声学测量时进行状态校正，能够提高低频、异常或间歇声学测量条件下相对状态估计的连续性和稳定性。

36、第四，本发明采用参数化几何制导方式，可通过改变与观测机动模式对应的几何参数生成归航、定半径环航、渐开线扩展和向外螺旋等水下观测轨迹，便于根据目标类型和观测范围调整自主水下航行器的运动方式。

37、第五，本发明设置固定声学参考观测模式、水面离散点引导观测模式、空中离散点引导观测模式和水面连续引导观测模式，能够分别适应单一目标局部精细观测、多目标顺序观测、跨障碍多目标观测以及廊道状目标连续跟踪观测。

38、第六，本发明将空中快速搜索与转移、水面声学参考建立与迁移、水下相对定位、协同制导和精细观测形成一体化作业流程，可用于珊瑚礁生态调查、水下结构检查、水产养殖监测、码头及防波堤检查、水下管线巡检和应急水下搜索。