3、水下自主航行器（AUV）定位与跟踪技术解析

水下自主航行器（AUV）定位与跟踪技术解析

1. 水下通信与AUV研究挑战

在水下环境中，无线电波和光波会被强烈吸收，传播距离极短。与之相比，声波能够在超过100米的距离上传输信号，因此，水下声学通信成为了AUV最有效的通信方式。然而，与陆地车辆相比，水下声学通信的弱通信特性以及AUV的模型不确定性，使得AUV的定位、跟踪和编队任务极具挑战性。

• 异步时钟 ：水下声波的传播延迟（约1500米/秒）比无线电波（约3×10⁸米/秒）高出五个数量级。同时，全球定位系统（GPS）在水下不可用。由于传播延迟长且没有GPS，AUV的时钟总是异步的，即受到未知的时间偏差和偏移的影响。因此，基于时钟同步的距离估计策略对AUV无效。
• 分层效应 ：水介质是不均匀的，声波的传播延迟在不同深度层会有所变化，这就是分层效应。忽视分层效应会增加测距偏差，从而降低AUV的定位精度。
• 节点移动性 ：与陆地物联网中的静态节点不同，AUV会因水流和自身动力自主移动。这导致任意两个节点之间的往返传播延迟不相等，难以估计AUV与传感器节点之间的实际相对距离。
• 能量约束 ：水下节点（包括传感器节点和AUV）通常由电池供电，补充电池很困难。而且，水下通信的能量消耗比陆地环境高得多。虽然可以通过增加电池来延长能量，但会占用额外空间，显著增加AUV或传感器节点的成本。
• 模型不确定性 ：AUV通常在恶劣的海洋环境中运行，其运动受到潮汐、水流等外部干扰的强烈