一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。本发明专利技术更符合水声物理实际环境特性，测时延误差选择更切合实际，误差预测结果不仅适用于静止平台，也适用于机动平台，且大大缩短计算时间，提高运算效率，具有简便易操作性。

An acoustic navigation error prediction method for underwater mobile platform in complex marine environment

【技术实现步骤摘要】
一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法
本专利技术属于水下声学导航领域，特别是涉及一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法。
技术介绍
声学导航技术是利用声波将水下机动平台从一个位置引领至另一个位置，并提供其运动的位置、姿态、速度等数据的技术或方法，航行体能够通过与预先布放的水下声信标(水下星站节点)进行信息交互完成位置解算从而实现导航功能。因声波在水下良好的传播能力，声学导航技术逐渐在海洋环境监控、海洋调查、海底地形地貌勘测、水下侦查与警戒、海底工程施工及维修等诸多领域被广泛应用。常用的声学导航模型有：圆交汇模型、双曲交汇模型、椭圆交汇模型。其中，圆交汇模型应用最广泛，该模型结构简单，计算方便，稳定性好。传统的针对圆交汇模型的声学导航误差预测方法，采用固定的时延误差、阵位误差以及声速误差，但在复杂海洋环境中，声场对声信号产生影响，实际时延、阵位以及声速的测量误差与实际声速分布、平台与阵元之间的空间位置(或距离)、平台机动状态等因素强相关。同时，传统的误差分析方法多为蒙特卡洛法，通过大量的重复计算获得统计学规律，费时且繁琐，不利于实际操作。针对上述问题，本专利技术提出了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法。
技术实现思路
本专利技术公开了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，该方法通过声场建模、导航模型建模以及误差公式推导等手段，能够预测出水下机动平台工作在复杂海洋环境时的导航误差。本专利技术通过以下技术方案实现：一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。进一步的，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，声学导航模型公式如下：其中，h2＝(z-zi)2，由深度传感器测得，为先验已知。(x,y,z)为水下机动平台位置，(xi,yi,zi)为声信标位置，i为声信标编号，ti为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，由该公式可知，导航误差的来源主要有：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。进一步的，步骤S2中，具体的，时延测量误差σt计算公式如下：其中，k为经验常数，取k＝0.05；SL表示声源级；NL表示噪声级；TL表示声传播损失，计算公式如下：TL＝n·logR+α·R其中，n表示声传播几何扩展系数，R表示声作用距离，α表示海水声吸收系数，其经验公式为:f表示声信号频率，单位为Hz，公式(1)适用于f为5KHz以下的情况，公式(2)适用于f为5KHz以上的情况。进一步的，步骤S3中，具体的，首先，利用Bellhop模型进行声场建模，并获得有效声速cesv：其中，z表示深度，r表示距原点的水平距离，(ri,zi)为声源位置，(rsi,zsi)为接收点位置，τi为声传播时延，i表示本征声线的个数，根据上式可得声速测量误差σc计算式：σc＝cesv-c。进一步的，步骤S4中，具体的，阵位测量误差由两部分等效获得：声信标阵位校准误差(σxmi,σymi)和由平台机动引起的误差(σxvi,σyvi)，设机动平台以航行速度v，航向角θ在水下运动，阵位测量误差(σxi,σyi)可由下式获得：进一步的，步骤S5中，具体的，利用偏微分矩阵法给出机动平台声学导航误差预测模型，用HDOP描述导航精度，具体公式如下：本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，该方法相对于传统的误差预测方法的优势主要在于：(1)充分考虑了复杂海洋环境下声场变化的不均匀性，采用bellhop模型建立与平台-阵元距离相关的声速测量误差，相比于传统预测方法中采用恒定声速测量误差，更符合水声物理实际环境特性。(2)结合实际水文条件，考虑平台与阵元相对距离对时延测量精度的影响，在不同距离处采用不同的时延测量误差。相比于传统预测方法中采用恒定的时延测量误差，本专利技术方法的测时延误差选择更切合实际。(3)传统的阵位测量误差仅由阵位校准过程获得，且选用固定值，仅适用于静止平台。而本专利技术方法充分考虑平台机动对阵位测量的影响，阵位测量误差随平台位置变化而发生改变，误差预测结果不仅适用于静止平台，也适用于机动平台。(4)采用偏微分矩阵法代替传统的蒙特卡洛法进行误差预测，可大大缩短计算时间，提高运算效率，具有简便易操作性。附图说明图1为本专利技术的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法的方法流程图；图2为某海域水文条件图；图3为时延测量误差图；图4为声速测量误差图；图5为阵位测量误差图；图6为水下机动平台声学导航误差预测结果图。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。参照图1所示，本专利技术通过以下技术方案实现：一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。在本部分优选实施例中，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，给出声学导航模型公式如下：其中，h2＝(z-zi)2，由深度传感器测得，为先验已知。(x,y,z)为水下机动平台位置，(xi,yi,zi)为声信标位置，i为声信标编号，ti为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，由该公式可知，导航误差的来源主要有：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。在本部分优选实施例中，步骤S2中，具体的，在实际情况中，随着机动平台与声信标之间距离发生改变，时延测量信号的信噪比随之改变，从而影响时延测量精度，因此时延测量误差σt不是一个定值。由于克拉美罗界(CRLB)是理论上可达到的最高估计精度，则依此给出时延测量均方误差σt2的下界为：其中，T1为信号持续时间，fL为信号的频率下限，fH为信号的频率上限。但实际测量中无法达到CRLB，因此对上式进行简化，可确定时延测量误差σt计算公式如下：其中，k为经验常数，取k＝0.05；SL表示声源级，一般选取195dB；NL表示噪声级，一般三级海况下为63dB；TL表示声传播损失，计算公式如下：TL＝n·logR+α·R其中，n表示声传播几何扩展系数，R表示声作用距离，α表示海水声吸收系数，其经验公式为:f表示声信号频率，单位为Hz，公式(1)适用于f为5KHz以下的情况，公式(2)适用于f为5KHz以上的情况。在本部分优选实施例中，步骤S3中，具体的，Bellhop模型是射线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5建立机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入所述机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。

【技术特征摘要】
1.一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5建立机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入所述机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。2.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，声学导航模型公式如下：其中，h2＝(z-zi)2，(x,y,z)为水下机动平台位置，(xi,yi,zi)为声信标位置，i为声信标编号，ti为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，由该公式确定导航误差的来源为：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。3.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S2中，具体的，时延测量误差σt计算公式如下：其中，k为经验常数；SL表示声源级；NL表示噪声级；TL表示声传播损失，计算公式如下：TL＝n·logR+α·R其中，n表示声...

【专利技术属性】
技术研发人员：付进，李静，齐滨，邹男，王燕，梁国龙，向宇，张光普，孙思博，邱龙皓，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