一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，属于水声定位技术领域。本发明专利技术利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立虚拟接收信标；根据实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距系统测得的双程传播时延建立椭球模型，对实际布放的信标进行位置修正；以双程传播时延的一半作为单程传播时延基准量，结合修正后水下信标位置建立观测方程；求解基于水下信标位置修正的观测方程组成的定位方程组，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置；解决了水下目标信号位置与信标位置建立的观测方程不准确的问题，提高了单信标测距定位系统对水下运动目标的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法
本专利技术属于水声定位
，具体涉及一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法。
技术介绍
声学测距是基于相关分析法的相关滤波效应以及信号与其经过延时后信号的互相关函数的时移特性的相关测量，是在背景噪声大的环境中，准确进行距离测量的有效方法，其抗干扰能力强，测量准确，精度高。声学测距系统在目标定位的方法中是一种常用且有效的方式，声学测距系统在基于单信标测距的定位系统工作时，测距仪通常会在每个测距周期发射测距信号，但由于水下目标运动的影响，单信标声学测距系统存在声学测距收发非共点的问题，常规的定位解算模型常以双程传播时延的一半作为观测方程的声学测距的量测量。随着测距信号设计以及信号检测与估计技术的发展，双程传播时延的测量精度不断提高，双程传播时延的一半作为观测方程的声学测距量测量也是精确的，但存在的一个很大的问题是该测量既不等于水下目标发射信号位置与信标之间的单程时延，也不等于水下目标接收信号位置与信标之间的单程时延，因此以双程传播时延的一半作为观测方程的声学测距量测量时，结合水下目标发射信号位置或接收信号位置与信标位置建立的观测方程不再准确。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种解决单信标声学测距系统测距收发非共点问题、以双程传播时延的一半作为观测方程的声学测距量测量时，结合水下目标发射信号位置或接收信号位置与信标位置建立的观测方程不再准确问题的基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术公开了一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，具体的实现步骤包括：(1)对声学测距系统进行初始化设置，校准时钟；(2)设定声学测距系统的测距仪的测距周期为T、声学测定信标的转发时延为ttat，声学测距系统的测距仪在每个测距周期Tk的起始时刻发射测距信号，水下目标记录自身发射信号的时刻及接收到声学测定信标回复信号的时刻，结合记录的各时刻信息得到水下目标声学测距的双程传播时延信号；(3)利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和水下实际布放信标建立虚拟接收信标；(4)根据实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和水下目标声学测距系统测得的双程传播时延建立椭球模型，对水下实际布放的信标进行位置修正；(5)取水下目标声学测距系统测得的双程传播时延的一半作为单程传播时延的基准量进行测量，结合水下信标位置修正后的位置建立观测方程；(6)对基于水下信标位置修正的观测方程组成的定位方程组进行求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，所述的步骤(2)的具体实现步骤如下：(2.1)设定声学测距系统的测距仪的测距周期为T，声学测定信标的转发时延为ttat，且转发时延ttat在每个测距周期的大小相等；(2.2)在第k个测距周期Tk的起始时刻，声学测距系统的测距仪发射测距信号，水下目标记录自身发射测距信号的时刻为tsendk，水下目标接收到声学测定信标回复信号的时刻为treceptk；(2.3)根据声学测距系统及水下目标记录的各时刻信息，得到水下目标从发射点至接收点经过的时间为treceptk-tsendk＝tsk+ttat+trk，声学测距系统测得的双程传播时延为tsk+trk＝treceptk-tsendk-ttat，其中tsk+trk为第K个周期内声学测距系统测得的双程传播时延。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，所述的步骤(3)中对于第K个测距周期，将水下目标大地坐标系中的运动参数转移到实际布放的单只信标Xt上，构建虚拟信标Xvtk，得到虚拟信标Xvtk与实际布放的单只信标Xt的相对位置关系为：其中，Lvb为大地坐标系下水下目标的速度，Bvb为载体坐标系下水下目标的速度，为载体坐标系{B}变换到大地坐标系{L}的旋转矩阵，c为声速，Δt为目标运动参数测量的采样间隔。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，所述的步骤(4)中实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和水下目标声学测距系统测得的双程传播时延将单信标声学测距定位系统双程传播时延发射接收非共点的问题转化为发射点至不同信标单程传播时延和的问题，具体的实现方式为：||Xsk-Xt||+||Xrk-Xt||＝||Xsk-Xt||+||Xsk-Xvtk||其中，发射点Xsk与实际布放的信标位置Xt之间对应的单程传播时延为tsk；发射点Xsk与虚拟接收信标位置Xvtk之间对应的单程传播时延为trk；Xrk为接收点位置坐标；水下目标声学测距信号发射点Xsk、水下实际布放信标Xt和建立的虚拟接收信标Xvtk构成一个椭球模型，其中虚拟接收信标Xvtk和实际布放信标Xt为椭球的两个焦点，水下目标声学测距发射点Xsk为椭圆上一点。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，通过步骤(1)到步骤(4)对水下信标的位置进行修正，修正后的水下信标至水下目标发射点对应的单程传播时延为双程传播时延的一半。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，所述的步骤(5)中使用修正后的水下信标至水下目标发射点对应的单程传播时延作为基准量进行测量，根据修正后的水下信标位置和单信标测距系统测得的双程传播时延的一半建立观测方程。对于一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，所述的步骤(6)中将定位方程组的各个基于水下信标位置修正的观测方程进行线性化处理，消除待求水下目标位置的二次项，对线性化处理后的定位方程组求解，通过最小二乘法解算得到水下目标在大地坐标系中的位置。本专利技术的有益效果在于：本专利技术公开的一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法能够利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立虚拟接收信标；根据实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距系统测得的双程传播时延建立椭球模型，对水下实际布放的信标进行位置修正；以双程传播时延的一半作为单程传播时延的量测量，结合水下信标位置修正后的位置建立观测方程；对基于水下信标位置修正的观测方程组成的定位方程组求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置；解决了单信标声学测距系统测距收发非共点的问题，并解决了以双程传播时延的一半作为观测方程的声学测距量测量时，结合水下目标发射信号位置或接收信号位置与信标位置建立的观测方程不再准确的问题，提高了单信标测距定位系统对水下运动目标的定位精度。附图说明图1为本专利技术虚拟接收信标构建原理示意图；图2为本专利技术构建的单信标测距定位椭圆模型示意图；图3为本专利技术水下目标航行轨迹示意图；图4为本专利技术公开的方法与常规观测方法的定位误差对比。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。结合图1，声学测距系统的工作原理为：基于单信标测距的定位系统工作时，声学测距系统的测距仪在每个测距周期的起始时刻发射测距信号，测距周期为T。信标的位置为Xt＝(xt,yt,zt)T，声信标的转发时延ttat预先设定已知，且在每个测距周期大小相等。当水下目标在信号往返传播于目标与信标之间时，由于水下目标运动的影响，测距仪发射信号的位置和接收信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，其特征在于，具体的实现步骤包括：(1)对声学测距系统进行初始化设置，校准时钟；(2)设定声学测距系统的测距仪的测距周期为T、声学测定信标的转发时延为ttat，声学测距系统的测距仪在每个测距周期Tk的起始时刻发射测距信号，水下目标记录自身发射信号的时刻及接收到声学测定信标回复信号的时刻，结合记录的各时刻信息得到水下目标声学测距的双程传播时延信号；(3)利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和水下实际布放信标建立虚拟接收信标；(4)根据实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和水下目标声学测距系统测得的双程传播时延建立椭球模型，对水下实际布放的信标进行位置修正；(5)取水下目标声学测距系统测得的双程传播时延的一半作为单程传播时延的基准量进行测量，结合水下信标位置修正后的位置建立观测方程；(6)对基于水下信标位置修正的观测方程组成的定位方程组进行求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，其特征在于，具体的实现步骤包括：(1)对声学测距系统进行初始化设置，校准时钟；(2)设定声学测距系统的测距仪的测距周期为T、声学测定信标的转发时延为ttat，声学测距系统的测距仪在每个测距周期Tk的起始时刻发射测距信号，水下目标记录自身发射信号的时刻及接收到声学测定信标回复信号的时刻，结合记录的各时刻信息得到水下目标声学测距的双程传播时延信号；(3)利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和水下实际布放信标建立虚拟接收信标；(4)根据实际布放的信标位置、虚拟接收信标位置和水下目标声学测距系统测得的双程传播时延建立椭球模型，对水下实际布放的信标进行位置修正；(5)取水下目标声学测距系统测得的双程传播时延的一半作为单程传播时延的基准量进行测量，结合水下信标位置修正后的位置建立观测方程；(6)对基于水下信标位置修正的观测方程组成的定位方程组进行求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置。2.根据权利要求1所述的一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，其特征在于，所述的步骤(2)的具体实现步骤如下：(2.1)设定声学测距系统的测距仪的测距周期为T，声学测定信标的转发时延为ttat，且转发时延ttat在每个测距周期的大小相等；(2.2)在第k个测距周期Tk的起始时刻，声学测距系统的测距仪发射测距信号，水下目标记录自身发射测距信号的时刻为tsendk，水下目标接收到声学测定信标回复信号的时刻为treceptk；(2.3)根据声学测距系统及水下目标记录的各时刻信息，得到水下目标从发射点至接收点经过的时间为treceptk-tsendk＝tsk+ttat+trk，声学测距系统测得的双程传播时延为tsk+trk＝treceptk-tsendk-ttat，其中tsk+trk为第K个周期内声学测距系统测得的双程传播时延。3.根据权利要求1所述的一种基于水下信标位置修正的单信标测距定位方法，其特征在于：所述的步骤(3)中对于第K个测距周期，将水下目标大地坐标系中的运动参数转移到实际布放的单只信标Xt上，构建虚拟信标Xvtk，得到虚拟信标Xvtk与实际布放的单只信标Xt的相对位置关系为：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，郑翠娥，崔宏宇，张居成，韩云峰，王永恒，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23