基于多正交信号的水下区域导航标校方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于多正交信号的水下区域导航标校方法和系统，该方法包括步骤：1)建立基于多正交信号的水下区域导航系统模型；2)标校接收端接收发射信标发出的若干个正交信号，解算出标校接收端在发射信标坐标系下的三维坐标X

Underwater area navigation calibration method and system based on multi orthogonal signals

The invention discloses a regional navigation system calibration method and orthogonal signal based on the underwater, the method comprises the following steps: 1) the establishment of a regional navigation system of the underwater model based on orthogonal signal; 2) a plurality of orthogonal signal calibration receiver transmitter beacon issued, calculate the calibration of the receiver in transmitting beacon coordinates of the 3D coordinates of X

【技术实现步骤摘要】
基于多正交信号的水下区域导航标校方法及系统
本专利技术属于水下定位
，涉及水下定位系统标校技术，具体地指基于多正交信号的水下区域导航标校方法及系统。
技术介绍
随着海洋开发和海洋科考的不断深入，在各种场合都需要给各式各样的水下航行体或人员提供其自身的导航信息，这对水下导航系统提出了越来越多的要求：低成本、使用和布放方便、任意数目用户接入导航等。目前主要是通过多基线进行水下导航，但多基线需要布放至少三个信标，成本高、回收布放复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述
技术介绍
存在的不足，提出一种基于多正交信号的水下区域导航标校方法，可在无法获得海底信标姿态先验知识的前提下，通过一个信标实现为任意多个目标提供导航信息。为实现上述目的，本专利技术所设计的基于多正交信号的水下区域导航标校方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：1)建立基于多正交信号的水下区域导航系统模型：其中，XR为接收端在大地坐标系的三维坐标；XB为发射信标在大地坐标系下的三维坐标；为发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵；XJ为接收端在发射信标坐标系中的三维坐标；所述接收端包括标校接收端和被定位接收端；2)标校接收端接收发射信标发出的若干个正交信号，解算出标校接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ(n)，其中n表示测量的次数，n＝1,2,…,N，N为大于3的自然数；3)标校接收端在接收发射信标发出的若干个正交信号的同时，记录接收时刻的标校接收端在大地坐标系的三维坐标XR(n)，该坐标通过GPS接收器测量获得；4)利用所述发射信标在大地坐标系下的三维坐标XB，利用最小二乘准则通过所述基于多正交信号的水下区域导航系统模型计算发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵5)被定位接收端根据所述发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵发射信标在大地坐标系下的三维坐标XB以及解算得出的被定位接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ，再通过水下区域导航系统模型计算自身在大地坐标系的三维坐标XR。优选地，所述步骤4)的具体步骤包括：41)构造一个反对称矩阵S，使得a、b、c分别为第一、第二、第三矩阵中间变量，I为单位矩阵；42)利用反对称矩阵的性质将代入所述基于多正交信号的水下区域导航系统模型，得到进一步化简，得到S[XR-XB+XJ]＝XR-XB-XJ；43)令p1,p2,p3,q1,q2,q3分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六化简过程中间变量；此时，化简为令q＝[q1,q2,q3]TA＝[a,b,c]T其中，p,q,A分别为第一、第二、第三化简过程矢量中间变量；44)设单次测量的误差矢量为e，此时误差方程为：e＝p×A-q建立N个误差方程en＝pn×A-qnn＝1,2,…,N，下标表示测量的序号，即pn,qn分别为第n次测量的第一、第二化简过程矢量中间变量，en为第n次的误差矢量。将N个误差方程采用矩阵形式表示如下：E＝P×A-Q其中P,Q分别为第一、第二化简过程矩阵中间变量，E为误差矩阵；45)采用最小二乘法求解，得到A＝(PTP)-1PTQ，求得第一、第二、第三矩阵中间变量a、b、c，进而求得反对称矩阵S；46)将求得的反对称矩阵S代入即求得发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵一种用于上述基于多正交信号的水下区域导航标校方法的系统，其特殊之处在于，包括布放于海底的发射信标、安装在水面运动载体上的标校接收端和安装于被定位载体上的被定位接收端；所述发射信标用于同时发射若干个相互正交的声源信号；所述标校接收端用于接收若干个声源信号，解算得到标校接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ(n)，同时记录标校接收端在大地坐标系下的三维坐标XR(n)，并求解发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵所述GPS接收器用于GPS定位；所述被定位接收端用于根据发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵发射信标在大地坐标系下的三维坐标XB以及通过接收若干个声源信号，解算得到被定位接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ，再通过基于多正交信号的水下区域导航系统模型计算自身在大地坐标下的位置信息。进一步地，所述发射信标由至少三个发射声源通过刚性连接组成。更进一步地，所述相互正交的声源信号为若干个信号的互相关为0或互相关远低于各信号自相关峰值的若干个信号集合。与现有技术相比，本专利技术建立了基于多正交信号的水下区域导航标校方法，只需在海底布放一个信标，即可实现为任意多个目标提供导航信息。本专利技术可在无法获得海底信标姿态先验知识的前提下，进行系统标校，精确估计信标的姿态信息，从而实现精确导航。附图说明图1为本专利技术基于多正交信号的水下区域导航标校方法的系统的结构示意图；图2为本专利技术实施时水面运动载体的航行轨迹。图3为本专利技术实施时定位结果示意图。图4为本专利技术实施时标校结果与GPS定位结果比较图。图5为本专利技术实施时标校结果与GPS定位误差比较图图中：海底1，发射信标101，水面运动载体2，标校接收端201，GPS接收器202，被定位载体3，被定位接收端301，水面4。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术提出的一种基于多正交信号的水下区域导航标校系统，包括发射信标101、标校接收端201和被定位接收端301。发射信标101用于同时发射若干个相互正交的声源信号。相互正交的声源信号为若干个信号的互相关为0或互相关远低于各信号自相关峰值的若干个信号集合。发射信标101布放于海底1，由至少三个发射声源通过刚性连接组成。标校接收端201和用于GPS定位的GPS接收器202安装在水面运动载体2上，水面运动载体2按照预定的轨迹航行，如图2所示，水面运动载体2可采用路线一中环绕发射信标101航行的方式，也可采用路线二中航行轨迹的“8”字形相交于发射信标101的方式，也可采用其他轨迹航行，但航行路线不能偏离发射信标101。标校接收端201用于接收若干个声源信号，解算得到标校接收端201在发射信标坐标系下的三维坐标XJ(n)，同时记录标校接收端201在大地坐标系下的三维坐标XR(n)，并求解发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵被定位接收端301安装于被定位载体3上的，用于根据发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵发射信标在大地坐标系下的三维坐标XB，以及通过接收若干个声源信号，解算得到被定位接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ，再通过基于多正交信号的水下区域导航系统模型计算自身在大地坐标下的位置信息。本专利技术提出一种用于上述基于多正交信号的水下区域导航系统的标校方法，包括如下步骤：1)建立基于多正交信号的水下区域导航系统模型：其中，XR为接收端(标校接收端201和被定位接收端301)在大地坐标系的三维坐标；XB为发射信标101在大地坐标系下的三维坐标，通过预先估计或者其他方法获得；为发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵，为两个坐标系之间的三维夹角；XJ为接收端(标校接收端201和被定位接收端301)在发射信标坐标系中的三维坐标。2)标校接收端201接收发射信标101发出的若干个正交信号，解算出标校接收端在发射信标坐标系下的三维坐标XJ(n)，其中n表示测量的次数，n＝1,2,…,N，N为大于3的自然数。3)标校接收端201在接收发射信标101发出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多正交信号的水下区域导航标校方法，其特征在于：包括如下步骤：1)建立基于多正交信号的水下区域导航系统模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于多正交信号的水下区域导航标校方法，其特征在于：包括如下步骤：1)建立基于多正交信号的水下区域导航系统模型：其中，XR为接收端在大地坐标系的三维坐标；XB为发射信标在大地坐标系下的三维坐标；为发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵；XJ为接收端在发射信标坐标系中的三维坐标；所述接收端包括标校接收端(201)和被定位接收端(301)2)标校接收端(201)接收发射信标(101)发出的若干个正交信号，解算出标校接收端(201)在发射信标坐标系下的三维坐标XJ(n)，其中n表示正交信号的个数，n＝1,2,…,N，N为大于3的自然数；3)标校接收端(201)在接收发射信标(101)发出的若干个正交信号的同时，记录接收时刻的标校接收端(201)在大地坐标系的三维坐标XR(n)，该坐标通过GPS接收器(202)测量获得；4)利用所述发射信标在大地坐标系下的三维坐标XB，利用最小二乘准则通过所述基于多正交信号的水下区域导航系统模型计算发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵5)被定位接收端(301)根据所述发射信标坐标系转换到大地坐标系的旋转矩阵发射信标(101)在大地坐标系下的三维坐标XB以及解算得出的被定位接收端(301)在发射信标坐标系下的三维坐标XJ，再通过水下区域导航系统模型计算自身在大地坐标系的三维坐标XR。2.根据权利要求1所述的基于多正交信号的水下区域导航标校方法，其特征在于：所述步骤4)的具体步骤包括：41)构造一个反对称矩阵S，使得a、b、c分别为第一、第二、第三矩阵中间变量，I为单位矩阵；42)利用反对称矩阵的性质将代入所述基于多正交信号的水下区域导航系统模型并化简，得到S[XR-XB+XJ]＝XR-XB-XJ；43)令p1,p2,p3,q1,q2,q3分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六化简过程中间变量；此时，化简为令q＝[q1,q2,q...

【专利技术属性】
技术研发人员：张森，唐劲松，钟何平，徐魁，田振，丘昌镇，郭锦标，吴浩然，黄攀，马梦博，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42