一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，由捷联惯性导航系统SINS、AUV底部的单水听器(接收器)以及海底单水听器(带声源)组成。采用基于海底水听器发出的超声波的周期而移动的时间窗模型，在时间窗内部通过对AUV处于不同位置时接收到的声源信号做广义互相关得到时延差，再通过计算时间窗内部AUV多点模型得到AUV最新位置坐标。本发明专利技术通过时间窗内部AUV多点模型计算，AUV航行距离无需过远，从而有效减小了惯导系统随着时间不断累积而造成的定位误差。本发明专利技术中AUV无需上浮出水面进行位置更新，无需数据通信且AUV被动接受超声波信号，不易暴露位置，提高了AUV的隐蔽性和安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于捷联惯性导航
，尤其涉及为一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法。
技术介绍
AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器)现在在执行各种水下任务中发挥着重要的作用，其中包括海洋探测、水下排雷和收集海洋及河流的水深测量数据等。为了保证AUV能够在水下顺利完成任务，并且得到比较精确的水下测量数据，就必须要求其在水下具有长期的自主的高精度定位导航能力，并且具有较高的隐蔽性。现在大部分AUV上使用DVL与SINS进行组合导航，并通过舰位推算的方法来估计位置，但这样会引起惯导系统定位误差随着时间不断累积，而不能满足长期的自主的高精度定位要求。AUV在浅海执行任务时采用的“潜航-水面校正-潜航”的导航模式进行定位导航，即当AUV在水下航行时依靠SINS/DVL进行定位导航，当AUV在水下潜行一定时间后为了校正累积误差，AUV必须上浮水面，使用SINS/GPS组合导航系统进行校正。采用这种方案，虽然能达到校正累积误差的目的，但是必须要求AUV不断往返于水下作业地点与水面之间。这样做不仅影响工作效率，而且更容易暴露AUV的位置。特别是当AUV在深海或者冰下作业时，这种方案更加不切实际。因此，研究一种在水下长期的自主的进行可靠辅助定位的方法十分重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对以往的DVL与SINS进行组合导航方法存在的定位误差会随着时间不断累积、“潜航-水面校正-潜航”的导航模式容易暴露AUV的位置等在AUV水下自主式导航方面存在的问题，提供一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，利用海底水听器来确定载体的位置，计算出的位置坐标。特别适用于长期的自主的水下高精度定位导航，并且具有较高的隐蔽性。技术方案：一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，包括以下步骤：(1)对固定在海底的单个水听器作为声源进行定位，计算其惯性坐标系下的位置坐标P(x,y,z)；(2)海底的水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期为t的超声波脉冲信号，当AUV底部固定的水听器作为接收器接收到10个周期的脉冲信号后，即经过时间10t，AUV已经向前行进了一段距离，当AUV底部固定的水听器接收到第11个脉冲信号时，确定并记录AUV当前位置Pi(i＝0,1,2,3…)，此时以脉冲信号的出现作为周期信号的起始位置，接收器接收海底水听器发出的一个周期的声信号xi(i＝0,1,2,3…)；(3)AUV在水听器所在附近水域航行时，选取记录下来的4个AUV的连续位置形成时间窗，表示出4个位置Pi(i＝0,1,2,3)绝对地理坐标系下的坐标为： ( x 0 , y 0 , z 0 ) = ( ( x 3 - Δx 1 ) , ( y 3 - Δy 1 ) , ( z 3 - Δz 1 ) ) ( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( ( x 3 - Δx 2 ) , ( y 3 - Δy 2 ) , ( z 3 - Δz 2 ) ) ( x 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对固定在海底的单个水听器作为声源进行定位，计算其惯性坐标系下的位置坐标P(x,y,z)；(2)海底的水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期为t的超声波脉冲信号，当AUV底部固定的水听器作为接收器接收到10个周期的脉冲信号后，即经过时间10t，AUV已经向前行进了一段距离，当AUV底部固定的水听器接收到第11个脉冲信号时，确定并记录AUV当前位置Pi(i＝0,1,2,3…)，此时以脉冲信号的出现作为周期信号的起始位置，接收器接收海底水听器发出的一个周期的声信号xi(i＝0,1,2,3…)；(3)AUV在水听器所在附近水域航行时，选取记录下来的4个AUV的连续位置形成时间窗，表示出4个位置Pi(i＝0,1,2,3)绝对地理坐标系下的坐标为：(x0,y0,z0)=((x3-Δx1),(y3-Δy1),(z3-Δz1))(x1,y1,z1)=((x3-Δx2),(y3-Δy2),(z3-Δz2))(x2,y2,z2)=((x3-Δx3),(y3-Δy3),(z3-Δz3))(x3,y3,z3)=(x3,y3,z3);]]>(4)由P3处接收到的声信号分别与P2、P1、P0处接收到的声信号做互相关得到时延差τ32、τ31、τ30：Δt3i＝τ3i‑(30‑10i)t，(i＝0,1,2)；而AUV在Pi(i＝0,1,2,3)处时与海底水听器P(x,y,z)的距离为：Li=(xi-x)2+(yi-y)2+(zi-z)2;]]>所以根据所估计的时延差，水下声速设为恒定值，记为c，得到以下的方程组：L3-L0=Δt30cL3-L1=Δt31cL3-L2=Δt32c;]]>(5)由步骤(3)中的坐标代入的距离公式后再代入方程组后，由方程组中的3个方程得到所需的P3的坐标(x3,y3,z3)，即AUV此时最新的坐标位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于周期移动时间窗的被动水声定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对固定在海底的单个水听器作为声源进行定位，计算其惯性坐标系下的位置坐标P(x,y,z)；(2)海底的水听器时刻保持工作状态，且不断发出周期为t的超声波脉冲信号，当AUV底部固定的水听器作为接收器接收到10个周期的脉冲信号后，即经过时间10t，AUV已经向前行进了一段距离，当AUV底部固定的水听器接收到第11个脉冲信号时，确定并记录AUV当前位置Pi(i＝0,1,2,3…)，此时以脉冲信号的出现作为周期信号的起始位置，接收器接收海底水听器发出的一个周期的声信号xi(i＝0,1,2,3…)；(3)AUV在水听器所在附近水域航行时，选取记录下来的4个AUV的连续位置形成时间窗，表示出4个位置Pi(i＝0,1,2,3)绝对地理坐标系下的坐标为： ( x 0 , y 0 , z 0 ) = ( ( x 3 - Δx 1 ) , ( y 3 - Δy 1 ) , ( z 3 - Δz 1 ) ) ( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( ( x 3 - Δx 2 ) , ( y 3 - Δy 2 ) , ( z 3 - Δz 2 ) ) ( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( ( x 3 - Δx 3 ) , ( y 3 - Δy 3 ) , ( z 3 - Δz 3 ) ) ( x 3 , y 3 , z 3 ) = ( x 3 , y 3 , z 3 ) ; ]]>(4)由P3处接收到的声信号分别与P2、P1、P0处接收到的声信号做互相关得到时延差τ32、τ31、τ30：Δt3i＝τ3i-(30-10i)t，(i＝0,1,2)；而AUV在Pi(i＝0,1,2,3)处时与海底水听器P(x,y,z)的距离为： L i = ( x i - x ) 2 + ( y i - y ) 2 + ( z i - z ) 2 ; ]]>所以根据所估计的时延差，水下声速设为恒定值，记为c，得到以下的方程组： L 3 - L 0 = Δt 30 c L 3 - L 1 = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，王自强，朱永云，胡贺庆，杨书天，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32