面向长航程中层带任务的基于海洋物理特征一致性的自主水下航行器定位方法

《Ocean Engineering》：An oceanographic physical-feature-consistency-based AUV localization method for long-range mesopelagic missions

　　

•无需 GPS、DVL 或先验地图的海洋特征辅助 AUV 定位。
•CTD 和 ADCP 特征通过海洋物理产生空间邻近约束。
•渐进式位置估计更新限制了长程航位推算漂移。
•在 ECCO 场中，水平均方根误差相比航位推算降低了约 90%。

引言

中层带在连接上层海洋与深层海洋方面发挥着重要作用。它与碳输出、再矿化、水团转化以及在广阔空间尺度上热量、盐分和动量的再分布密切相关 (Robinson et al., 2010)。这些过程中的许多在数十到数百公里的尺度上演变，因此需要长程和空间连续的实地观测。尽管其重要性，与上层海洋和近海底环境相比，中层带的观测仍然不足 (St. John et al., 2016)。凭借其高机动性和强自主性，自主水下航行器 (AUV) 已成为中洋观测的关键平台 (Wynn et al., 2014)。最近关于长程水下探索的研究进一步表明，AUV 可以承担从公里级到盆地尺度的连续海洋观测任务 (Phillips et al., 2023)。定位精度是可靠水下操作的基石，因此在 AUV 研究中一直是最优先事项。

然而，中层带的可靠定位仍然具有挑战性。全球定位系统 (GPS) 和其他无线电导航信号无法在水下有效传播，因此 AUV 一旦潜水就会失去对全球定位信息的直接访问 (Paull et al., 2014)。声学基线系统可以提供外部位置测量，但它们不是探索未知海域的通用解决方案。长基线 (LBL) 定位需要在任务区域预先部署和校准应答器阵列，这增加了运营成本并限制了 AUV 的工作区域。超短基线 (USBL) 定位依赖于水面船只或其他外部平台，其精度受斜距、声学传播和跟踪几何形状的影响 (Kinsey et al., 2006)。多普勒测速仪 (DVL) 测量在可获得底锁时有效，但中层水 AUV 通常在海床上方远处操作，此时底跟踪变得不可用或间歇性。在这种情况下，与 DVL 集成的惯性导航系统 (INS) 的速度辅助能力减弱，导航解逐渐退化为惯性航位推算 (Tal et al., 2017)。

同步定位与地图构建 (SLAM) 和地图辅助导航提供了限制长期漂移的另一种途径。它们的共同原理是利用可重复的外部环境结构来生成约束，例如海底地形、声纳图像特征、视觉特征或先验环境地图 (Durrant-Whyte and Bailey, 2006)。这些方法在近底测绘、浅水检查和结构化水下环境中显示出强劲的价值。然而，中层带环境缺乏大多数常规 SLAM 系统所需的感知条件。载具通常距离海床太远而无法获得持续的地形约束，水柱缺乏稳定的几何结构（如岩石、管道或人造物体），光学传感受照明和散射的严重限制。在大规模中层水任务中，常规的基于视觉、声纳和地形的 SLAM 方法往往无法形成可靠的闭环，因此累积的导航漂移无法得到有效抑制 (Zhang et al., 2022)。

一旦 GPS、外部声学定位、DVL 底锁和常规 SLAM 约束不可用，AUV 导航被迫主要依赖航位推算。航位推算可以提供连续的短期导航输出，但其误差随任务持续时间和行驶距离而增长。陀螺仪偏差、加速度计误差、初始姿态不确定性和未建模的水流运动效应逐渐累积为位置漂移 (Titterton and Weston, 2004)。对于长程中层带任务，这种累积漂移可能会降低轨迹地理参考、重复段比较和空间变化海洋观测的解释。因此，一个关键问题是如何在没有常规外部或底参照辅助的情况下，利用机载环境测量来约束累积的航位推算误差。

本文利用海洋物理场本身作为可重复的环境线索。中层带的温度、盐度和流速场并不是随机的；在单个任务的时间尺度上，它们表现出空间连续性和结构化变异性。当 AUV 接近以前访问过的水团或附近区域时，由电导率 - 温度 - 深度 (CTD) 传感器测量的水团属性和由声学多普勒流速剖面仪 (ADCP) 测量的深度分辨流速结构可能表现出高度一致性。这种一致性不能像视觉特征匹配或点云配准那样恢复准确的相对姿态，但它可以提供两个观测时刻在空间上接近的证据。将实地海洋物理场用作定位线索也在最近的工作中得到了探索：海洋流信息已被纳入动态模型辅助航位推算，以限制混合 AUV 的位置漂移 (Yang et al., 2024b)，并且电流预测已与航位推算相结合，以改进水下潜器的位置预测 (Qiu et al., 2023)。基于这一观察，我们提出了一种海洋特征辅助的 AUV 定位算法，该算法结合了多源空间邻近观测关联与由产生的约束驱动的渐进式位置估计更新。该方法不需要先验地图、外部声学基础设施或 DVL 底锁，专为可用环境信息是物理而非几何的长程中层水任务设计。

本文的主要贡献总结如下。

1. 提出了一种适用于大规模中层带任务的海洋特征辅助 AUV 定位算法。该算法利用机载 CTD 和 ADCP 测量从海洋物理场中提取环境约束，从而在 GPS、外部声学定位和稳定的 DVL 底锁测量均不可用时提高定位精度。
2. 开发了一种多源海洋物理特征一致性判别方法用于空间邻近观测关联。利用 CTD 传感器的温度、盐度和深度，以及 ADCP 的深度分辨流速剖面，来表示局部水团属性和流结构，并通过多级一致性判别过程识别空间邻近的观测对。
3. 设计了一种由空间邻近约束驱动的渐进式位置估计更新方法。由于检测到的关联不提供准确的相对姿态，它们被建模为空间邻近约束，并在平面位置图中与航位推算增量约束融合。位置估计按照检测到的关联的时间顺序，通过前缀优化和后缀传播进行更新，符合 AUV 任务的在线信息流。
4. 提出的方法在合成海洋场和基于海洋环流与气候估计 (ECCO) 的真实海洋场数据集中进行了评估。实验评估了空间邻近观测关联、位置估计误差减少、对不同类型估计框架的适用性以及在线更新效率，证明了所提方法在抑制长程航位推算漂移方面的有效性。

本文其余部分组织如下。第 2 节介绍了技术预备知识。第 3 节概述了所提方法。第 4 节详细介绍了基于海洋物理特征一致性的定位方法，包括特征表示、多级一致性判别、空间邻近约束构建和渐进式位置估计更新。第 5 节报告了实验结果和分析。第 6 节总结了本文。

章节摘要

惯性导航和航位推算

惯性导航和航位推算在外部定位参考不可用时为 AUV 提供连续的位置传播。惯性导航系统 (INS) 使用陀螺仪和加速度计从给定的初始条件传播载具位置、速度和姿态。航位推算 (DR) 进一步将此传播表示为一系列局部运动增量。由于它是自包含的且不需要外部定位参考，INS/DR 非常适合

方法概述

对于长程中层带 AUV 任务，载具通常必须依赖惯性导航和航位推算来获得连续的位置估计。然而，航位推算本质上是运动信息的递归积分。因此，陀螺仪、加速度计和速度测量中的误差随时间累积，导致在长程任务中估计位置逐渐偏离真实位置。

虽然海洋物理变量并不直接

海洋物理特征表示

假设 AUV 任务被离散化为 N+1 个采样时刻，第 k 个时刻表示为 tk，其中 k=0,1,…,N。在每个采样时刻，AUV 同时获得由 INS/DR 传播的位置估计和同步收集的海洋物理变量。任务数据序列表示为 D=pk,Okk=0N。其中，pk=[xk,yk]T 是由 INS/DR 给出的平面位置估计，Ok={Tk,Sk,zk,Ak} 表示在同一采样时刻收集的海洋观测

实验

所提方法在两个海洋场中进行了评估：一个合成海洋场和一个基于 ECCO 的海洋场。在每个场中，评估涵盖空间邻近观测关联、位置估计误差减少、保留约束对不同估计框架的适用性以及位置估计更新策略的在线更新效率。

这两个实验起到互补的作用。第 5.1 节使用受控模拟海洋场来验证

结论

本文解决了中层带 AUV 导航的长程漂移问题，并提出了一种基于多源海洋观测的海洋特征辅助定位方法。利用 CTD 传感器的温度、盐度和深度，以及 ADCP 的流速剖面，通过多级海洋物理特征一致性判别识别空间邻近观测关联，无需任何先验地图。

CRediT 作者贡献声明

曹浩洋：方法论，形式分析。文彦：写作 – 审查与编辑。郭佳：写作 – 原稿，资源，方法论，资金获取，概念化。赵海琪：写作 – 原稿。王新伟：写作 – 原稿。吕鹏飞：写作 – 审查与编辑。何波：写作 – 审查与编辑。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或可能影响本文中报告工作的个人关系。

曹浩洋|文彦|郭佳|赵海琪|王新伟|刁宏宇|吕鹏飞|何波