一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法技术

本发明专利技术公开一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法。步骤1：等周期间隔选取解算位置，对水下目标的位置进行粗略解算；步骤2：计算目标的水平精度因子HDOP，同时优化定位周期号，最终得到最佳定位周期号；步骤3：根据选取的最佳周期号相应的位置基于广义二阶时延差信息进行定位解算。本发明专利技术降低了航行器航路和航行速度对定位精度的影响，进一步提升了定位解算精度，更加适应实际情况下的解算条件。件。件。

【技术实现步骤摘要】
一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法


[0001]本专利技术涉及水下目标定位
，具体涉及一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法。

技术介绍

[0002]基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，指的是在未知信号发射时间和周期的情况下，通过计算信号不同时刻到达时延差的差值来求解目标的位置的技术。其场景态势图如图1所示，主要通过单个机动的航行器在不同位置接收声信标发射的周期信号确定水下声信标位置。图中航行器沿预设航路行驶，声信标以一定的周期发射声脉冲信号，航行器分别在t
m1
、t
m2
、t
m3
、t
m4
时刻接收到声脉冲信号。基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法具有广泛的应用前景，可应用于对失事飞机、舰船、水下潜航器的搜救，对机载和舰载黑匣子、声信标的水下搜索和定位等方面；
[0003]在水下定位研究领域，根据目标发射信号的初始发射时刻是否已知，又分为基于到达时延的定位方法和基于到达时延差的定位方法。但传统的时延定位方法难以解决信号发射周期不能准确已知的难题，为了解决这一难题，可以使用基于二阶到达时延差的定位解算方法。但是二阶到达时延差的定位解算方法容易受到航行器航路和航行速度的影响造成定位精度的下降，因此对预设航路和航行速度的要求较高。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，降低了航行器航路和航行速度的影响，进一步提升了定位解算精度，更加适应实际情况下的解算条件。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]如图1
‑
2所示，一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，所述水下目标高精度定位方法包括如下步骤，
[0007]步骤1：等周期间隔选取解算位置，对水下目标的位置进行粗略解算；根据潜航器航路确定两个定位点距离，并依照此距离等间隔选取定位周期数；根据选取的定位周期对应的位置，使用二阶时延差信息建立解算方程，对目标的位置进行粗略解算；
[0008]步骤2：计算目标的水平精度因子HDOP，同时优化定位周期号，最终得到最佳定位周期号；根据粗略解算的结果以及各种存在的测量误差，计算水平精度因子HDOP，以最小化水平精度因子HDOP为目标，优化定位周期号，通过迭代算法得到最佳定位周期号；
[0009]步骤3：根据选取的最佳周期号相应的位置基于广义二阶时延差信息进行定位解算；根据广义二阶时延差信息建立定位解算方程组，由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解以获得目标的位置坐标。
[0010]进一步的，所述步骤1具体为：通过测量平台与信标的信号到达时间信息结合机动平台自身的位置坐标，实现声信标位置解算；信标发射的信号是一个周期脉冲信号，假定首个周期信号发射时间为t0+t
s
，则周期号为m的信号到达时间表示为：
[0011][0012]式中：c为水中声速，l
m
为机动平台不同测量点到目标的距离；
[0013]广义二阶时延差的定义为：
[0014][0015]则式(2)中信号到达时间信息分别为：
[0016][0017]进行粗定位的四个信号的到达时间样本，所取的样本的周期号需等间隔，此时公式(2)变为：
[0018]c(t
m3
‑
t
m2
)
‑
c(t
m2
‑
t
m1
)＝(l3‑
l2)
‑
(l2‑
l1)
ꢀꢀ⑷
[0019]其中，公式(4)中已经消除了未知数t0及t
s
，假设待求解的声信标水平坐标为[x
s
,y
s
]，其深度已知为z
s
；航行器在不同测量点的水平坐标有由导航系统给出为[x
m
,y
m
]，深度由压力传感器给出为z
m
；则测量点至声信标的距离表示为：进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：
[0020][0021]对公式(5)的方程组进行解算即得到目标的粗定位结果。
[0022]进一步的，所述步骤2具体为：使用粗定位的结果计算水平精度因子HDOP，以水平精度因子HDOP最小为目的，找出最佳周期号，对应四个最佳的解算点位置；水平精度因子HDOP的定义为：
[0023][0024]在上述表达式中，E()表示期望，[x
s
,y
s
]表示水下目标的真实位置，表示解出的水下目标位置的估计值；HDOP用协方差矩阵进行计算并表示为：
[0025][0026]协方差矩阵D
x
表示为：
[0027][0028]其中D
x
，D
t
，D
ins
分别是目标坐标误差的协方差矩阵、到达时间误差的协方差矩阵、解算点坐标误差的协方差矩阵，M
x
，M
t
，M
ins
分别是上述变量对应的偏导数矩阵。
[0029]进一步的，所述步骤2中的四个最佳的解算点位置的解算包括以下步骤：
[0030]步骤2.1：以步骤1中的粗定位结果和周期数作为初始值，固定最佳的解算点位置m1、最佳的解算点位置m2、最佳的解算点位置m3并更改最佳的解算点位置m4；计算水平精度
因子HDOP随m4的变化，找到局部优化的使得平均水平精度因子HDOP最小，然后用局部优化值更新m4；
[0031]步骤2.2：固定m1、m2、m4并更改m3；计算HDOP随m3的变化，找到局部优化的使得平均HDOP最小，用局部优化值更新m3；
[0032]步骤2.3：固定m1、m3、m4并更改m2；计算HDOP随m2的变化，找到局部优化的使得平均HDOP最小，用局部优化值更新m2；
[0033]步骤2.4：固定m2、m3、m4并更改m1；计算HDOP随m1的变化，找到局部优化的使得平均HDOP最小，用局部优化值更新m1；
[0034]步骤2.5：重复步骤2到步骤4；一旦HDOP达到最小值停止迭代；则选定的周期数的设置为m1、m2、m3和m4。
[0035]进一步的，所述步骤3具体为，利用步骤2中得到的最佳解算周期号为m1、m2、m3、m4，利用广义的二阶时延差信息建立定位解算方程；
[0036][0037]式中：c为水中声速，l1、l2、l3、l4为不同测量点到目标的距离，即t
m1
、t
m2
、t
m3
、t
m4
分别为各个测量点的信号到达时间；
[0038]公式(9)为非线性方程组，采用牛顿迭代法对其进行求解，则对于式(9)中的两个方程，设X＝[x
s...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述水下目标高精度定位方法包括如下步骤，步骤1：等周期间隔选取解算位置，对水下目标的位置进行粗略解算；根据潜航器航路确定两个定位点距离，并依照此距离等间隔选取定位周期数；根据选取的定位周期对应的位置，使用二阶时延差信息建立解算方程，对目标的位置进行粗略解算；步骤2：计算目标的水平精度因子HDOP，同时优化定位周期号，最终得到最佳定位周期号；根据粗略解算的结果以及各种存在的测量误差，计算水平精度因子HDOP，以最小化水平精度因子HDOP为目标，优化定位周期号，通过迭代算法得到最佳定位周期号；步骤3：根据选取的最佳周期号相应的位置基于广义二阶时延差信息进行定位解算；根据广义二阶时延差信息建立定位解算方程组，由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解以获得目标的位置坐标。2.根据权利要求1所述一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述步骤1具体为：通过测量平台与信标的信号到达时间信息结合机动平台自身的位置坐标，实现声信标位置解算；信标发射的信号是一个周期脉冲信号，假定首个周期信号发射时间为t0+t
s
，则周期号为m的信号到达时间表示为：式中：c为水中声速，l
m
为机动平台不同测量点到目标的距离；广义二阶时延差的定义为：则式(2)中信号到达时间信息分别为：进行粗定位的四个信号的到达时间样本，所取的样本的周期号需等间隔，此时公式(2)变为：c(t
m3
‑
t
m2
)
‑
c(t
m2
‑
t
m1
)＝(l3‑
l2)
‑
(l2‑
l1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑷
其中，公式(4)中已经消除了未知数t0及t
s
，假设待求解的声信标水平坐标为[x
s
,y
s
]，其深度已知为z
s
；航行器在不同测量点的水平坐标有由导航系统给出为[x
m
,y
m
]，深度由压力传感器给出为z
m
；则测量点至声信标的距离表示为：进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：对公式(5)的方程组进行解算即得到目标的粗定位结果。
3.根据权利要求1所述一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法，其特征在于，所述步骤2具体为：使用粗定位的结果计算水平精度因子HDOP，以水平精度因子HDOP最小为目的，找出最佳周期号，对应四个最佳的解算点位置；水平精度因子HDOP的定义为：在上述表达式中，E()表示期望，[x
s
,y
s
]表示水下目标的真实位置，表示解出的水下目标位置的估计值；HDOP用协方差矩阵进行计算并表示为：协方差矩阵D
x
表示为：其中D
x
，D
t
，D
ins
分别是目标坐标误差的协方差矩阵、到达时间误差的协方差矩阵、解算点坐标误差的协方差矩阵，M
x
，M
t
，M
ins
分别是上述变量对应的偏导数矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙思博，梁国龙，明瑞和，曲龙，张光普，王燕，王逸林，付进，齐滨，邹男，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：