基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单标定位双精度差值最优化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2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。本发明专利技术通过双精度差值最优化的方式，克服了单信标测距定位中目标航向角影响的问题，实现对水下目标航向误差的计算和补偿，提升了单标定位精度。

Heading error compensation method based on single standard positioning double precision optimization

The invention discloses a heading error compensation method based on single standard positioning double precision difference optimization, which belongs to the field of underwater acoustic positioning technology. Includes the following steps: 2 in the public area of the beacon, 2 beacon for underwater target location respectively according to the results of Dan Xinbiao; the 2 beacon respective single beacon location results, determine the difference between single standard positioning results; the difference single standard positioning result is optimized, get the global optimal heading angle the value of compensation solutions. The invention overcomes the problem of the influence of the target heading angle in the single beacon ranging and positioning, and realizes the calculation and compensation of the underwater target's heading error, and improves the single standard positioning accuracy through the way of double precision difference optimization.

【技术实现步骤摘要】
基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法
本专利技术属于水声定位
，具体涉及一种基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。
技术介绍
随着世界经济的发展，人类已将资源开发和利用的重点转向海洋。海底光缆管线的铺设及其维护，水下载体作业时是直线航迹；海洋地貌绘制，水下载体作业时是梳形航迹；深水油气、天然气水合物及矿产资源的勘查，水下载体作业时是梳形航迹。水下载体的导航定位是顺利完成各项任务的首要前提和关键因素，基于单信标测距的定位是水下辅助导航的发展趋势，已成为国内外导航定位领域的研究重点。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(RemotelyOperatedVehicle)和AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)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系统是传统水声定位系统简约化和组合化的结合，它将声学测距定位设备与目标运动状态传感器结合使用。声学测距定位设备基于的是大地坐标系，而目标运动状态传感器基于的是载体坐标系，我们需要通过坐标旋转矩阵将这两组不同的设备联立起来。当构成坐标旋转矩阵的姿态角存在误差时，会给大地坐标系下的目标运动速度引入误差，这其中目标航向角误差对目标运动速度的影响最大，进一步引起的定位误差也最大。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种克服目标航向角误差对定位结果的影响，对目标航向误差进行计算和补偿的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：基于单标定位双精度差值最优化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。(2)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值。(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。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Xt1和Xt2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。当水下载体位于Xbn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。对于信标Xt1，虚拟信标VT1i＝(xt1i,yt1i,zt1i)T与真实信标Xt1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：||Xb1n-VT1i||＝r1i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。对于信标Xt2，虚拟信标VT2i＝(xt2i,yt2i,zt2i)T与真实信标Xt2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：||Xb1n-VT2i||＝r2i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。所述的根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值的方法为：对水下目标的单信标测距定位结果X1和X2作差，得到双精度差值与航向误差之间的关数值关系。当航向角存在固定误差时，信标Xt1对载体的单标定位结果X1与Xt2对载体的单标定位结果X2的差值为固定值，且该差值与载体真实位置Xb无关，只与两个信标Xt1和Xt2的位置和航向角误差Δψ有关。设载体真实位置为Xb＝(xb,yb,zb)T时，单信标Xt1＝(xt1,yt1,zt1)T的定位结果为X1＝(x1,y1,z1)T，单信标Xt2＝(xt2,yt2,zt2)T的定位结果为X2＝(x2,y2,z2)T，则两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：||X2-X1||2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2对于其中的(x2-x1)2项，联立载体真实东向位置xb可以写为：(x2-x1)2＝((x2-xb)-(x1-xb))2其中的(x2-xb)和(x1-xb)项，表示单标定位结果与载体真实位置的东向定位误差，根据单标定位的东向定位误差和北向定位误差分布图可知，东向定位误差与载体真实位置至信标的北向距离成比例，即：则(x2-x1)2项可以进一步转化为：(x2-x1)2＝(sin(Δψ)·(yb-yt2)-sin(Δψ)·(yb-yt1))2＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2同理，(y2-y1)2项可以进一步转化为：(y2-y1)2＝(sin(Δψ)·(xt2-xb)-sin(Δψ)·(xt1-xb))2＝(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2至此，两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：||X2-X1||2＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2+(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2+(z2-z1)2所述的对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解的方法为：首先，根据单标定位结果X1和X2的差值||X1-X2||确定航向角补偿值Δψ的寻优空间；然后，使用线搜索法进行粗搜索，在寻优空间内遍历搜索，得到航向角补偿值Δψ的当前次优解；最后，使用信赖域法进行细搜索，以当前次优解为起点缩小遍历的区域范围，得到航向角补偿值Δψ的全局最优解。本专利技术的有益效果在于：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2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解，最终解决了目标航向误差对定位结果的影响，实现了对目标航行误差进行计算和补偿，提升了单标定位精度。附图说明图1信标位于目标航迹异侧的定位结果；图2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专利技术的具体实施方式作进一步说明：基于单标定位双精度差值最优化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；(2)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。其中，步骤(1)具体实现方法：(1.1)当水下载体位于Xbn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.本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单标定位双精度差值最优化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2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。

【技术特征摘要】
1.基于单标定位双精度差值最优化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2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。2.根据权利要求1所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体实现方法：(1.1)当水下载体位于Xbn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Xt1和水下目标的单信标测距定位结果X1：对于信标Xt1，虚拟信标VT1i＝(xt1i,yt1i,zt1i)T与真实信标Xt1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：||Xb1n-VT1i||＝r1i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Xt2和水下目标的单信标测距定位结果X2：.对于信标Xt2，虚拟信标VT2i＝(xt2i,yt2i,zt2i)T与真实信标Xt2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：||Xb1n-VT2i||＝r2i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。3.根据权利要求1，2所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于：两个信标Xt1和Xt2对水下目标的单信标测距定位结果X1和X2是独立的。4.根据权利要求1所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体实现方法：设载体真实位置为Xb＝(xb,yb,zb)T时，单信标的定位结果为X1＝(x1,y1,z1)T，单信标Xt2＝(xt2,yt2,zt2)T的定位结果为X2＝(x2,...

【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