基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法

摘要

本发明公开了基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法，属于水声定位技术领域。包括以下步骤：在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果；根据目标姿态误差对目标运动速度的影响，计算目标航向角误差对单信标测距定位结果的影响，确定水下目标声学双精度加权融合时的权系数；根据2个信标各自的单信标测距定位结果，利用选定的权系数计算得到双精度加权融合后的定位结果。本发明通过双精度加权融合的方式，克服了单信标测距定位中目标航向角影响的问题，实现对水下目标单信标测距定位精度的提升。

说明书

技术领域

本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法。

背景技术

目前对于水上目标的定位通常采用卫星技术为主的技术手段(GPS系统、伽利略系统、北斗系统等)，辅以惯性及其它定位技术。当目标处于水下时，由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，限制了卫星定位的应用。此时，以声波作为信息载体的水声定位技术成为主要选择，不但能完成对目标的定位、导航，还能作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。

水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工程。它能够提供海底勘查设备如ROV(Remotely Operated Vehicle)和AUV(Autonomous Underwater Vehicle)等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互，是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段。

基于单信标测距的定位方法需要利用实际布放的单只信标的地理位置和目标运动速度。信标的地理位置可以通过水面试验船预先标定得到，该地理位置属于大地坐标系。目标运动速度通过加速度计或者多普勒测速仪测量得到，为载体坐标系下的观测量。水下目标的定位导航常采用大地坐标系，所以需要通过坐标旋转矩阵将载体坐标系下的运动速度转换为大地坐标系下的运动速度。坐标旋转矩阵由目标姿态角组成，姿态角的误差会传递给虚拟信标的位置，进而影响定位结果，而其中影响最大的便是目标航向角。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服目标航向角误差对坐标旋转矩阵的影响，提高单信标测距定位系统对水下目标的定位精度的基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法，包括以下步骤：

(1)在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果。

(1.1)当水下载体位于X_bn处时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和载体运动参数，基于真实信标AT构建n个虚拟信标；

(1.2)获得信标X_t1和水下目标的单信标测距定位结果X₁：

对于信标X_t1，虚拟信标VT_1i＝(x_t1i,y_t1i,z_t1i)^T与真实信标X_t1的关系满足：

利用虚拟信标VT₁的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：

||X_b1n-VT_1i||＝r_1i

采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT₁得到的单标定位结果为X₁。

(1.3)获得X_t2和水下目标的单信标测距定位结果X₂：

.对于信标X_t2，虚拟信标VT_2i＝(x_t2i,y_t2i,z_t2i)^T与真实信标X_t2的关系满足：

利用虚拟信标VT₂的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：

||X_b1n-VT_2i||＝r_2i

采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT₂得到的单标定位结果为X₂。

(2)根据目标姿态误差对目标运动速度的影响，计算目标航向角误差对单信标测距定位结果的影响，确定水下目标声学双精度加权融合时的权系数。

(2.1)双信标定位结果进行双精度加权融合后的定位结果可用下面的公式表示：

X₁₂＝ω₁X₁+ω₂X₂

其中，X₁为单信标X_t1的定位结果，X₂为单信标X_t2的定位结果，X₁₂为双信标定位结果加权融合后的定位结果，ω₁和ω₂为加权融合的权系数；

(2.2)得到均方误差

根据最小均方误差的理论，权系数ω₁和ω₂选取时，须使得目标最终的定位结果X₁₂和目标真实位置X_b的均方误差最小：

其中，为双信标定位结果加权融合后定位结果的均方误差；

由于两个信标对目标的单标定位结果是独立的，并且权系数须满足无偏性要求，进步一得到均方误差

(2.3)用拉格朗日乘子法求解时构造的代价函数为：

(2.4)确定则加权融合的权系数ω₁和ω₂：

满足下式时，双信标定位结果加权融合后的定位结果精度最高：

加权融合的权系数ω₁和ω₂可以描述为：

(3)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，利用选定的权系数计算得到双精度加权融合后的定位结果。

双信标定位结果进行双精度加权融合后的定位结果可用下面的公式表示：

X₁₂＝ω₁X₁+ω₂X₂

特别地：

所述的在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果的方法为：当目标工作于2个信标的公共作用区域时，根据基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，可以分别获得两个信标X_t1和X_t2对水下目标的单信标测距定位结果X₁和X₂，这两个定位结果是独立的。

所述的根据目标姿态误差对目标运动速度的影响，计算目标航向角误差对单信标测距定位结果的影响，确定水下目标声学双精度加权融合时的权系数的方法为：坐标旋转矩阵由目标姿态角组成，姿态角的误差会传递给虚拟信标的位置，进而影响定位结果，而其中影响最大的便是目标航向角。存在航向误差时，水平定位误差呈对称分布，信标处定位误差最小，以信标为中心向外辐射，距离信标越远的区域定位误差越大。

所述的根据2个信标各自的单信标测距定位结果，利用选定的权系数计算得到双精度加权融合后的定位结果的方法为：对独立的2个单信标测距定位结果，结合目标航向误差引起的定位误差空间分布特性确定的权系数，基于双精度加权融合原理计算得到航向误差补偿后的定位结果。

本发明的有益效果在于：

在2个信标的公共作用区域，根据基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，分别获得两个信标对水下目标的单信标测距定位结果；根据航向角误差对水平定位结果的影响，确定水下目标声学双精度加权融合时的权系数；基于双精度加权融合原理计算得到航向误差补偿后的定位结果。该发明解决了目标航向误差对坐标旋转矩阵和单信标测距定位结果的影响，提高了单信标测距定位系统的定位精度。

附图说明

图1为信标位于目标航迹异侧的定位结果；

图2为信标位于目标航迹异侧的定位误差。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果；

(2)根据目标姿态误差对目标运动速度的影响，计算目标航向角误差对单信标测距定位结果的影响，确定水下目标声学双精度加权融合时的权系数；

(3)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，利用选定的权系数计算得到双精度加权融合后的定位结果。

步骤(1)的具体实现方法：

(1.1)当水下载体位于X_bn处时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和载体运动参数，基于真实信标AT构建n个虚拟信标；

(1.2)获得信标X_t1和水下目标的单信标测距定位结果X₁：

对于信标X_t1，虚拟信标VT_1i＝(x_t1i,y_t1i,z_t1i)^T与真实信标X_t1的关系满足：

利用虚拟信标VT₁的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：

||X_b1n-VT_1i||＝r_1i

采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT₁得到的单标定位结果为X₁。

(1.3)获得X_t2和水下目标的单信标测距定位结果X₂：

.对于信标X_t2，虚拟信标VT_2i＝(x_t2i,y_t2i,z_t2i)^T与真实信标X_t2的关系满足：

利用虚拟信标VT₂的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：

||X_b1n-VT_2i||＝r_2i

采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT₂得到的单标定位结果为X₂。

步骤(2)的具体实现方法：

(2.1)那么双信标定位结果进行双精度加权融合后的定位结果可用下面的公式表示：

X₁₂＝ω₁X₁+ω₂X₂(1)

其中，X₁为单信标X_t1的定位结果，X₂为单信标X_t2的定位结果，X₁₂为双信标定位结果加权融合后的定位结果，ω₁和ω₂为加权融合的权系数。

(2.2)加权融合的权系数ω₁和ω₂对目标最终的定位结果X₁₂影响很大，根据最小均方误差的理论，权系数ω₁和ω₂选取时，须使得目标最终的定位结果X₁₂和目标真实位置X_b的均方误差最小：

其中，为双信标定位结果加权融合后定位结果的均方误差。

由于两个信标对目标的单标定位结果是独立的，并且权系数须满足无偏性要求，进步一得到均方误差

(2.3)加权融合的权系数ω₁和ω₂选取，可以描述为一个双信标定位结果加权融合后的定位结果约束下的最优化的问题，用拉格朗日乘子法求解时构造的代价函数为：

(2.4)则加权融合的权系数ω₁和ω₂满足下式时，双信标定位结果加权融合后的定位结果精度最高。

根据目标姿态误差影响分析的结果可知，存在固定航向误差时，水平定位误差呈对称分布，信标处定位误差最小，以信标为中心向外辐射，距离信标越远的区域定位误差越大。因而，加权融合的权系数ω₁和ω₂可以描述为：

步骤(3)的具体实现方法：

双信标定位结果进行双精度加权融合后的定位结果可用下面的公式表示：

X₁₂＝ω₁X₁+ω₂X₂。

实施例：

对本发明提供的基于单信标测距定位双精度加权融合的航向误差补偿方法进行仿真分析。

布放在海底的两个声信标位置分别为(-1500,-1500,3600)m和(1500,1500,3600)m，信标位于目标航迹的异侧。水下目标在恒定深度3700m作前向速度1m/s的匀速直线运动，以航向90°航行3000m。测距周期为20s，虚拟信标个数为15个。对距离测量添加0.15m为标准差的随机误差，对目标前向速度添加3‰·v+0.002m/s为标准差的随机误差，对目标右向速度添加0.002m/s为标准差的随机误差，对目标航向角添加0.1°为标准差的随机误差，添加+1°的固定误差。当目标初始位置为(-1500,0)m时，不同信标对应的单信标测距定位结果和双精度加权融合后的定位结果如图1所示。从图中可以看出，单信标定位结果偏离真实航迹的程度都随着与信标距离的增大而增大，且真实航迹距信标距离最小处两端的单信标定位结果偏离真实航迹的方向相反。加权融合后的定位结果明显优于任何一个信标的单信标测距定位结果。不同信标对应的单信标测距定位误差和双精度加权融合后的定位误差如图2所示。从图中可以看出，加权融合后的定位误差明显小于任何一个信标的单信标测距定位误差，定位误差随着目标至两个信标距离差的减小而减小，定位误差从20m减小至0m。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。