一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法技术

本发明专利技术提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，该方法利用目标接收到海底多个分布式潜标发送的同步声信标信号的时延信息，再结合各潜标的位置信息，解算获得目标的位置信息；相对于传统自导航方法，本发明专利技术所设计的方法引入了目标运动速度参量，消除了由目标运动速度引起的模型误差，受目标运动速度影响小；引入了目标位置自主保护机制，能够较合理地给出更精确的结果，有效提高了水下高速运动目标的自导航精度；采用差分进化算法结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强。

A High Precision Autonomous Acoustic Navigation Method for Underwater High Speed Targets Based on Synchronized Beacon Mode

【技术实现步骤摘要】
一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法
本专利技术属于导航
，特别是涉及一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。
技术介绍
随着人们对海洋的开发与利用，发展水下目标的自主导航能力成为发达国家研究的前沿问题。现有的水下目标导航方法有很多，如卫星导航、惯性导航、地球物理导航、组合导航等。其中卫星导航受外界环境条件限制小，并且速度快，导航精度高，可达米或亚米量级。它可在近程、中程、远程，甚至全球范围内导航，但易受外界环境或人为干扰的影响和发射台的制约，并且因需要上浮到海面，使用受限，隐蔽性差。惯性导航系统在水下目标的导航过程中使用最为普遍，通常作为导航系统的核心部件，但存在时间累积误差，且其增长速率与海流、航行器速度、测量传感器精度等因素密切相关。地球物理导航通过实时匹配测得的地球物理参数与地球物理特征的先验分布图实现导航功能，其导航误差不随时间的增加而积累，无需浮出水面，但该技术还有很多应用问题没有解决。组合导航系统通过适当的方式组合两种或两种以上不同的导航设备，利用其性能上的互补性获得更好的导航性能，通常以微小型捷联惯性导航系统为核心，并配备其他导航系统或传感器作为辅助校正和重调手段。而迄今为止，在水下传播信息最有效的载体就是声波。近年，声学导航技术在水下目标导航中占据了重要的地位，主要包括长基线系统(LongBaseLine,LBL)、短基线系统(ShortBaseLine,SBL)、超短基线系统(UltraShortBaseLine,USBL)三种。其中长基线声学导航系统因其定位精度高，不要求很高的安装精度，无需大量的校准工作等优点得到了广泛应用。长基线系统常采用传统球交汇方法解算，它是对椭球交汇模型的一种简化，即：水下目标运动速度很小时，忽略声信号传播过程中目标的运动并认为水下目标发射询问信号和接收应答信号均在同一位置，然而当目标运动速度较大时，这一近似处理会引入很大误差，同时该系统的实际应用中会伴随有阵位测量误差、时延测量误差、声速测量误差等，使得导航准确率变低，导航误差变大，整体性能下降。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。本专利技术所述方法采用同步信标方式，具有精度高，受目标运动速度影响小，计算量小，适于实时实现等优点。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，具体包括以下步骤：步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下其中，(x,y,z)为目标位置，(xi,yi,zi)为潜标位置，c为声速，ti为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；步骤二、采用球交汇方法，对模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，得到的粗测结果作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定区域作为优化算法的进化范围；步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下其中，vx表示目标x方向的运动速度，vy表示目标在y方向的运动速度；步骤四、构建声学导航解算目标函数，如下：其中，Ri＝cti式中，Ri为根据时延计算的目标与潜标之间的距离信息，ri为目标与各潜标间的真实距离，Δr＝Ri-ri；步骤五、根据步骤二中的精确模型初始条件及进化范围，采用差分进化算法对解算目标函数进行求解，获得目标位置精测结果；步骤六、采用目标位置解算值自主保护机制，设立保护门限，将目标位置精测结果与粗测结果进行对比，如二者的差值小于保护门限，则将精测结果作为最终目标位置解算值，若二者的差值大于或等于保护门限，则将粗测结果作为最终目标位置解算值。进一步地，将粗测结果用矩阵X＝[xsyszs]T表示，则粗测结果公式如下：X＝A-1BB＝[d22-d12+r12-r22d32-d12+r12-r32d42-d12+r12-r42]Tdi2＝xi2+yi2+zi2ri＝ctii＝1,2,3,4其中，(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)分别为1#、2#、3#、4#潜标位置信息。进一步地，所述步骤三具体为：由目标位置及运动速度信息与潜标位置信息确定的真实欧式距离表示如下：其中，(x,y,z)为目标位置，(xi,yi,zi)为潜标位置，i为潜标编号，vx表示目标x方向的运动速度，vy表示目标在y方向的运动速度，如下式所示：vx＝vcosθvy＝vsinθ式中，v表示目标运动速度；θ表示目标运动方向；而由利用目标测得时延信息计算得到的目标与潜标之间的距离信息为Ri，则Ri＝cti，令ri＝Ri，则构建精确的自主声学导航模型如下式所示：进一步地，所述步骤六具体为：过程如下式所示：|XDE-XO|≥threshold|YDE-YO|≥threshold其中XDE,YDE分别是差分进化算法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置精测结果；XO,YO分别为球交汇方法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置粗测结果；threshold为保护门限；当两式有一个成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加偏离目标真实位置，此时将粗测结果认为是目标位置；反之，当两式均不成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加接近目标真实位置，此时把差分进化算法解算结果认为是目标位置，依据此自主保护机制得到最终目标位置。本专利技术针对传统水下目标自主声学导航方法近似模型误差大、对水下高速目标导航精度低等问题，提出了一种新的水下高速目标高精度自主声学导航方法。该方法相对于传统方法的优势主要体现在以下几点：一是构建了自主声学导航精确模型，引入了目标运动速度参量，消除了目标运动速度引起的模型误差；二是利用传统方法解算结果作为精确模型的初始条件，并计算进化范围，可很大程度上缩短搜索过程，减小计算量，并降低精确解算结果陷入局部最优区的风险；三是采用目标位置解算值自主保护机制，利用保护门限进行判决，避免采用差分进化算法解算带来的目标位置测量野值。附图说明图1为本专利技术基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法的流程图；图2目标运动态势图；图3传统方法粗测结果及误差图；图4差分进化算法精测结果及误差图；图5本方法最终解算结果及误差图；图6传统方法，差分进化算法，本方法导航区域误差分布图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。结合图1，本专利技术提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，该方法利用目标接收到海底多个分布式潜标发送的同步声信标信号的时延信息，再结合各潜标的位置信息，解算获得目标的位置信息；具体包括以下步骤：步骤一、对于水下高速运动目标，忽略其运动速度，利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下其中，(x,y,z)为目标位置，(xi,yi,zi)为潜标位置，c为声速，ti为目标到不同潜标的声信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下

【技术特征摘要】
1.一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下其中，(x,y,z)为目标位置，(xi,yi,zi)为潜标位置，c为声速，ti为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；步骤二、采用球交汇方法，对模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，得到的粗测结果作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定区域作为优化算法的进化范围；步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下其中，vx表示目标x方向的运动速度，vy表示目标在y方向的运动速度；步骤四、构建声学导航解算目标函数，如下：其中，Ri＝cti式中，Ri为根据时延计算的目标与潜标之间的距离信息，ri为目标与各潜标间的真实距离，Δr＝Ri-ri；步骤五、根据步骤二中的精确模型初始条件及进化范围，采用差分进化算法对解算目标函数进行求解，获得目标位置精测结果；步骤六、采用目标位置解算值自主保护机制，设立保护门限，将目标位置精测结果与粗测结果进行对比，如二者的差值小于保护门限，则将精测结果作为最终目标位置解算值，若二者的差值大于或等于保护门限，则将粗测结果作为最终目标位置解算值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将粗测结果用矩阵X＝[xsyszs]T表示，则粗测结果公式如下：X＝A-1BB＝[d22-d12+r12-r22d32-d12+r12-r32d42-d12+r12-r42]Tdi...

【专利技术属性】
技术研发人员：付进，张光普，邹男，梁国龙，王燕，李静，孙思博，王晋晋，李娜，
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