一种新的舰艇编队相对定位方法技术

本发明专利技术公开了一种新的舰艇编队相对定位方法，该相对定位方法包括以下步骤：构建基于舰载数据链、舰载惯导和相对定位计算机的舰艇编队相对定位系统，在舰艇编队的每个舰艇上安装舰艇编队相对定位系统，确定相对定位时编队舰艇相邻舰艇间的信息交互内容，舰载惯导的数据传送至舰载数据链，舰载数据链利用无线电测距进行舰艇编队内各舰艇两两之间的相互测距，同时利用无线电通信实时通报惯导数据和测距信息，并将惯导数据和测距信息传送给相对定位计算机，以舰艇的测距信息和惯导数据计算得到的计算距离之差作为量测量，以各舰艇惯导的位置误差为待估计量，建立舰艇编队相对定位方法的数学模型。本发明专利技术可以将舰艇惯导位置精度提高两倍以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于导航定位
，具体涉及一种新的可以在"体系对抗"条件下、无 卫星定位时、对编队舰艇内各舰艇的惯导位置误差进行联合修正的舰艇编队相对定位方 法。
技术介绍
随着信息技术，特别是无线通信技术和计算机技术的发展，战争形式由武器与武 器等"平台"之间的对抗转变为"体系"与"体系"的对抗。在这种条件下，现代较大规模的海 战通常是由航母、驱逐舰、护卫舰、无人艇等多种舰艇进行的编队作战，小规模海战也是编 队中各舰艇的协同行动，所以，在体系对抗条件下，作战舰艇为了有效保护自己，有力打击 敌人，更好的完成打击、侦查等任务，将会成"群"出动，组成舰艇编队共同执行任务，舰艇编 队将成为海上行动的一种基本工作模式。 鉴于导航在现代战争中重要的地位，如何提高编队各舰艇导航精度成为一个非常 重要的问题。惯导系统能够连续提供多种较高精度的导航参数信息，频带宽，自主性强，主 要缺点是导航定位误差随时间积累，难以长时间独立工作;虽然卫星定位具有高精度实时 定位测速能力，但卫星信号易受干扰，同时面临战时不可用问题。因而，目前通过舰载数据 链传输惯导/卫星组合导航系统的数据进行舰艇编队、协同海战的技术手段均存在严重缺 陷。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供，利用 舰载数据链将舰间相互测距信息与惯导数据通过基于测量学平差的数据融合方法有效结 合，成功地解决了如何在"体系对抗"条件下，无卫星定位时提高编队各舰艇导航精度的问 题。 为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案： -种新的舰艇编队相对定位方法，该相对定位方法包括以下步骤： 第一步，构建基于舰载数据链、舰载惯导和相对定位计算机的舰艇编队相对定位 系统，在舰艇编队的每个舰艇上安装舰艇编队相对定位系统，确定相对定位时编队舰艇相 邻舰艇间的信息交互内容，舰载惯导的数据传送至舰载数据链，舰载数据链利用无线电测 距进行舰艇编队内各舰艇两两之间的相互测距，同时利用无线电通信实时通报惯导数据和 测距信息，并将惯导数据和测距信息传送给相对定位计算机， 第二步，以舰艇的测距信息和惯导数据计算得到的计算距离之差作为量测量，以 各舰艇惯导的位置误差为待估计量，建立舰艇编队相对定位方法的数学模型，以测量学平 差理论中的全参数加权最小二乘估计方法估计舰艇惯导位置误差，然后利用舰艇惯导位置 误差估计反馈修正惯导输出位置，达到舰艇惯导定位误差联合修正的效果。 传送的舰载惯导的数据包括状态字、经度λ,、炜度φ,、帧号，测距信息指的是相互 测距值<7i = l，…，n，i矣j)，以艇间相互测距值和由舰艇各惯导提供的位置信息{M， Φ d (i = 1，…，η)，其中η为编队舰艇数量，计算得到的计算距离#之差作为量测量，以舰艇 各惯导的位置误差= 为待估计量，建立舰艇编队相对定位方法的数学模 型。所述数学模型的建立步骤为：以彳,<!:/}(/= 1,…,/〇表示舰艇惯导系统i的输出位置， 则Φ]的关系为： _1](1), 式中，R为地球半径， {Δχ/,Δχ7}与惯导i输出经炜度误差关系为：(2)， 舰艇i和舰艇j之间的相互测距值 < 和由惯导系统输出计算得到的计算距离名分 别表示为： (3)；, (4), 式⑶中{Xl，yi}表示舰艇实际位置，叫表示测距误差，4~Ν(0，σ〗)，4为测距方 差， {xi，y]和{χ/的关系表不为：(5)， 将式(5)带入式(3)并线性化，得：123 令4 =$*-<'，并将式(6)写成矩阵形式为： 2 Lm=HX+A (7)， 3 式(6)中，量测值矩阵Lm是由if与4之差组成的pXl维矩阵，其中p等于n(n-l)/ 2，!1为？\211维矩阵，位置误差矩阵龙=丨:八<,~1/,.，.,八匕~/,]'八为噪声矩阵， j~Ν(0, )，Σ丨.为p X p维测距值协方差矩阵， 考虑量测值的随机性质，(8)， 式中，E( ·)为数学期望，的pXp维对角协方差阵，Q为L的pXp维对角权逆 阵，P为L的p X P维对角权阵，4为单位权方差， 则舰艇编队相对定位数学模型为：(.9),所述参数X的估计中，量测方程共有2n个未知参数，则需要至少2n个相互独立的量 测方程，而在P个量测方程中最多有2n-3个相互独立的量测方程，因而，量测方程系数矩阵Η 存在秩亏问题，根据测量学平差理论，引起秩亏为形亏时，为避免形亏，则在Ρ个量测值中相 互独立方程的个数不能少于2η-3;引起秩亏为数亏时，由于整网没有固定点，也就是缺少绝 对定位数据，所以数亏无法避免，对于舰艇编队组成的空间二维网来说其数亏数为3， 在所述舰艇编队相对定位数学模型基础上，为了解决Η的秩亏问题，以测量学平差 理论中的全参数加权最小二乘估计方法计算惯导位置误差估计值{Δ?/，Δ欠丨，具体过程如 下： Δ用其估计值V代替，X用其估计值χ = 代替，根据全参数 加权最小二乘原理，求参数估计值文，选取优化指标：(1〇)， 式（10)中，P、P:分别为量测值权阵和惯导位置误差的权阵，根据式(9)和式（10)计 算得：(11),其中，Η秩亏时，HP:#为非负定矩阵，P为正定矩阵，两者的和必为正定矩阵，然后利 用惯导位置误差估计值1对惯导输出值进行反馈修正，从而达到惯导定位误差联合修正的 效果。 舰载数据链在舰艇间相对速度小于40m/s下完成两两之间实时同步测距，测距范 围在5m到20km之间，测距方式为双向单程测距，舰载数据链天线采用全向天线，舰载数据链 时钟同步精度高于50ns，同步测距精度小于30m，测距值输出频率不小于1Hz，舰载数据链的 信号调制方式为载波和伪随机码双重调制，信息传输速率不小于lkbs。 本专利技术中舰载数据链利用无线电测距进行舰艇编队内各舰艇两两之间的相互测 距，同时利用无线电通信实时通报惯导数据和测距信息，并将惯导数据和测距信息传送给 相对定位计算机;舰载惯导为惯性导航系统（INS)，是一种既不依赖外部信息，又不发射能 量的自主导航系统;相对定位计算机是能够完成相对定位计算的计算机系统。 本专利技术考虑到惯导系统的定位误差呈正态分布，因此，工作在同一位置的多套惯 导通过对输出取"加权平均"的办法可明显提高其定位精度，但是，由于受惯导系统体积、重 量及成本的限制，在多数情况下一艘舰艇(特别是无人艇)仅能装1~2套惯导系统，"加权平 均"的思路很难实施。从"体系"的角度考虑，可以将上述思路应用到一个舰艇编队，利用舰 载数据链实时测量并相互通报各舰艇之间的距离和它们的位置，将艇间相互测距值和由舰 艇各惯导提供的位置信息计算得到的计算距离之差作为量测量，利用测量学平差的方法来 估计舰艇各惯导的位置误差，这样可以达到与"加权平均"类似的效果，这就是基于测量学 平差的舰艇编队相对定位技术的基本原理。所述舰艇编队内的每个舰艇进行相对定位时刻 采用的相对定位系统由一套舰载数据链、一套惯导系统和一套相对定位计算机组成;工作 过程中，惯导数据传送给舰载数据链，传输的惯导数据包括经度、炜度、状态字、帧号，舰载 数据链负责各舰艇两两之间的相互测距，并实当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新的舰艇编队相对定位方法，其特征在于该相对定位方法包括以下步骤：第一步，构建基于舰载数据链、舰载惯导和相对定位计算机的舰艇编队相对定位系统，在舰艇编队的每个舰艇上安装舰艇编队相对定位系统，确定相对定位时编队舰艇相邻舰艇间的信息交互内容，舰载惯导的数据传送至舰载数据链，舰载数据链利用无线电测距进行舰艇编队内各舰艇两两之间的相互测距，同时利用无线电通信实时通报惯导数据和测距信息，并将惯导数据和测距信息传送给相对定位计算机；第二步，以舰艇的测距信息和惯导数据计算得到的计算距离之差作为量测量，以各舰艇惯导的位置误差为待估计量，建立舰艇编队相对定位方法的数学模型，以测量学平差理论中的全参数加权最小二乘估计方法估计舰艇惯导位置误差，然后利用舰艇惯导位置误差估计反馈修正惯导输出位置，达到舰艇惯导定位误差联合修正的效果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊成，谭丽芬，王宇，
申请(专利权)人：中船航海科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31