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水下声源实时定位多无人潜航器分布式系统研究，基于声学校准传感器与伪线性方位跟踪算法，构建本地回归模型处理通信延迟与异步数据包，实验与仿真验证系统在浅水多径环境下的可行性及性能参数敏感性。
Gianluca Antonelli | Alessia Biondi | Andrea Caiti | Stefano Chiaverini | Riccardo Costanzi | Paolo Di Lillo | Alessandro Gentili | Andrea Munafò
卡西诺与南拉齐奥大学，Via G. Di Biasio 43，卡西诺，03043，FR，意大利
摘要
本文介绍了一种多车辆分布式系统，用于实时估计水下声源的位置。该系统基于安装在自主水下航行器（AUV）上的声学矢量传感器（AVS）获取的到达方向（DOA）观测数据。具体而言，本文描述了AVS数据的机载处理过程以及一种适用于水下环境的伪线性公式化的仅方位跟踪（BOT）算法。该算法通过构建局部回归器有效处理通信延迟和异步数据包到达问题。报告了在受控和简化条件下进行的海上实验结果，以验证该方法的可行性，并实验性地确定了一些系统特性，以及系统性能受选定处理参数和车辆状态的影响。最后，进行了一项仿真研究，根据实验确定的特性评估了系统性能与相关参数（如AUV之间的距离、声源距离和运动）之间的关系。实验和仿真结果相结合，证明了所提出的分布式多AUV框架在通信受限条件下的实际可行性，同时强调了仔细调整设计权衡以优化实际海洋应用中系统级性能的必要性。
章节摘录
引言和背景
在海洋中检测和定位声源是一个应用广泛的领域，涉及环境探索、生态系统监测、民用和军事监视、搜救行动、海上工业以及国防等多个方面。根据具体应用的不同，方法论方法可能会有很大差异，包括主动（发射信号）或被动（仅监听）系统、频率范围、宽带/窄带处理等方面。
目标状态估计算法
其中，$\mathbf{p}_t$ 表示目标位置，$\mathbf{v}$ 表示目标相对于惯性框架的速度。假设有一个安装在水下航行器上的移动传感器，其位置由向量 $\mathbf{p}_{t-1}$ 表示，速度由向量 $\mathbf{v}$ 表示。假设 $\mathbf{v}_t$ 和 $\mathbf{v}_s$ 是恒定的。尽管这一假设在仅方位跟踪文献中很常见，但值得注意的是……实现和实验结果
在本节中，我们报告了在意大利拉斯佩齐亚的意大利海军支援与实验中心（CSSN）设施中部署该系统所获得的实验结果。测试分别于2024年5月和6月期间进行。在两次测试中，我们使用了两艘配备AVS的AUV，并通过在水域中放置一个固定的声学发射器来模拟水下目标的存在。
仿真
为了完成所提出的多机器人水下跟踪框架的验证和特性分析，我们进行了广泛的仿真实验。这些仿真旨在补充实际实验，探索在海上难以复制或成本高昂的场景，包括各种算法和环境参数。实际上，决定使用较少数量的AUV并在一个封闭且易于访问的水域进行实验是为了……
结论与未来发展方向
本研究开发了一种基于自主水下航行器的分布式多机器人系统，这些航行器配备了低成本的声学矢量传感器，用于使用仅方位测量数据实时跟踪水下声源。在受控的海洋环境中进行的缩比实验表明，该系统能够在具有挑战性的条件下（如浅水、多路径传播等）以令人满意的精度估计目标位置。
CRediT作者贡献声明
Gianluca Antonelli：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论研究、资金获取、形式化分析。
Alessia Biondi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、数据管理。
Andrea Caiti：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究工作、资金获取。
Stefano Chiaverini：监督、形式化分析、概念化设计。
Riccardo Costanzi：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论研究、概念化设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢意大利大学与研究部（MUR）在“国家恢复与韧性计划”（NRRP）下的资助，具体为任务4、组成部分2、投资1.1，招标编号104（发布于2022年2月2日），该计划由欧盟-NextGenerationEU资助，用于项目“COMET：海洋环境中的可组合自主性”（CUP: 2022TPSX25）和“PANACEA：使用自主机器人进行自然海岸环境监测”（CUP: ……）。
