天津大学海洋学院海洋通信与导航团队在水下导航领域取得新进展

近日，天津大学海洋科学与技术学院海洋通信与导航技术团队在水下导航领域取得新进展，相关文章A Robust Graph-based Bathymetric Simultaneous Localization and Mapping Approach for AUVs在海洋工程领域顶级期刊IEEE Journal of Oceanic Engineering在线发表。论文第一作者为2021级硕士研究生张大龙，通信作者为海洋技术系常帅副教授。

水下导航定位技术是水下自主航行器的核心技术之一，也是目前限制水下航行器实现远距离、长航时、高精度安全导航与高精度作业的瓶颈性技术。在没有卫星导航系统和水声定位系统支持的一般水下航行环境中，地球物理场成为为水下航行器提供稳定空间位置参照，实现导航误差收敛的重要信息源。团队以海底地形做参考场，面向没有先验信息一般水下环境，研究了一种鲁棒的图优化同步定位与构图算法，为水下航行器在开展海底测量、目标搜索等作业场景提供了可靠的定位技术支撑。

本研究在量化分析水下地形多波束测量子图构建机制对数据关联影响的基础上，明确了实时构建海底地形子图的若干准则。在此基础上，提出了一种双步数据关联方法，通过自主创新的多波束地形测量数据关键特征提取、基于特征向量的多波束子图鲁棒粗配准、以及具有错误匹配辨识功能的精配准方法，在图优化SLAM框架下构建前端因子图。

图1多波束子图划分机制对数据关联的影响分析

图2基于关键特征提取和特征向量的多波束地形数据鲁棒粗配准

图3导航定位误差统计及地形图

为了保证图优化SLAM位置估计和地形图构建的准确性，屏蔽粗差影响，构建了基于Frechet距离的鲁棒后端优化器，在优化解析过程中自动辨识和排除错误的数据关联因子，实现稳健的导航状态估计和高一致性的地形图构建。研究结果表明，基于低成本的导航系统，利用本方法，在近20km的完全水下导航路径下，可以实现小于100米的定位误差。在海洋自主航行器技术快速进步及其应用场景不断丰富的背景下，本研究在水下环境勘察、目标搜寻等多场景应用中均具有重要潜力。

发表论文：

D. Zhang, S. Chang, et al. "A Robust Graph-Based Bathymetric Simultaneous Localization and Mapping Approach for AUVs," in IEEE Journal of Oceanic Engineering, doi: 10.1109/JOE.2024.3401969.