一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法技术

一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，涉及信号处理技术领域，针对现有技术中受制于海洋环境和水下航行器的工况，声波在水中的传播会受到高噪声、复杂多途扩展以及多普勒频移等影响，导致无间断的可靠联通难以维持，影响水声定位性能的问题，本申请将惯性/超短基线组合，利用惯性信息反哺水声接收机，通过惯导的短时精度保持能力，对当前声信道进行预测，累积多途能量，有助于水声接收机抑制环境噪声、提高参数估计精度以及保持声链路的联通，提升超短基线定位的稳健性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法
本专利技术涉及信号处理
，具体为一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法。
技术介绍
水声定位技术是在海洋资源开发利用中不可或缺的技术。超短基线定位过程中，接收基阵安装在航行器上，接收海底应答器发射的应答信号，实现定位解算。但现有技术中存在以下缺陷：受制于海洋环境和水下航行器的工况，声波在水中的传播会受到高噪声、复杂多途扩展以及多普勒频移等影响，导致无间断的可靠联通难以维持，影响水声定位性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术中受制于海洋环境和水下航行器的工况，声波在水中的传播会受到高噪声、复杂多途扩展以及多普勒频移等影响，导致无间断的可靠联通难以维持，影响水声定位性能的问题，提出一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法本专利技术为了解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，包括以下步骤：步骤一：利用安装在航行器中的超短基线与海底应答器进行数据交互，进而对超短基线进行定位，所述应答器能够接收超短基线发送的询问信号，并向超短基线回复确知的参考信号；步骤二：基于超短基线的定位结果并结合惯性导航系统，得到航行器的位置、速度和航向；步骤三：根据参考信号和超短基线接收信号进行信道估计，得到信道冲激响应函数；步骤四：根据步骤三得到的信道冲激响应函数，并结合航行器的位置、速度和航向，建立信道冲激响应函数变化与航行器的位置、速度以及航向的信道关系函数；r>步骤五：当超短基线无法正常工作时，获取惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向；步骤六：根据步骤二中得到的航行器的位置、速度和航向，并结合信道冲激响应函数以及步骤五中得到的惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向通过步骤四中得到的信道关系函数以维纳滤波的方式对当前声信道进行预测。进一步的，所述惯性导航系统包括陀螺组件和加速度计组件。进一步的，所述步骤一中对超短基线进行定位的表达式为：其中，为应答器在导航坐标系下的位置，为应答器在声学基阵坐标系下的位置，为基阵坐标系到载体坐标系的转换矩阵，ΔXb为载体坐标系与基阵坐标系之间存在坐标原点的位置安装偏差，为载体坐标系到导航坐标系的姿态矩阵。进一步的，所述步骤二的具体步骤为：首先根据超短基线定位结果和惯性导航系统输出的信息进行差值计算，然后将差值计算结果作为滤波观测量，并通过扩展卡尔曼滤波，建立组合导航数据融合模型，最后利用导航数据融合模型输出的姿态误差、速度误差、位置误差的估计值修正惯性导航系统输出的信息进而得到航行器的位置、速度和航向。进一步的，所述步骤三的具体步骤为：根据参考信号和超短基线接收信号并采用最小均方误差准则得到信道冲激响应函数。进一步的，所述信道冲激响应函数表示为：其中：X为参考信号，y为超短基线接收信号，Ryy为接收信号的自协方差，Rhh为信道冲激相应函数的自协方差，Rhy为信道冲激相应函数与接收信号的互协方差，为信道加性高斯白噪声的方差，H代表矩阵的共轭转置，N为信道冲激响应长度。进一步的，所述步骤四中信道关系函数表示为：其中，z0，z1和z2由时延、距离和多普勒频偏求解得到，i和j表示两个不同时刻，J0表示雅可比矩阵，即函数的一阶偏导数以一定方式排列成的矩阵。进一步的，所述步骤六中以维纳滤波的方式对当前声信道进行预测表示为：h(tN+1)＝(R-1r)T[h(tN)…h(tk)…h(t1)]T其中，R为在超短基线正常工作期间任意两个时刻的关系函数，r为在超短基线正常工作期间任意时刻与当前时刻的关系函数，h(tN)表示tN时刻的信道冲激响应函数，h(tk)表示tk时刻的信道冲激响应函数，h(t1)表示t1时刻的信道冲激响应函数。本专利技术的有益效果是：本申请将惯性/超短基线组合，利用惯性信息反哺水声接收机，通过惯导的短时精度保持能力，对当前声信道进行预测，累积多途能量，有助于水声接收机抑制环境噪声、提高参数估计精度以及保持声链路的联通，提升超短基线定位的稳健性。附图说明图1为惯导/超短基线组合导航系统示意图；图2为惯导/超短基线组合导航定位数据融合原理图；图3为信道跟踪与预测示意图；图4为本申请的整体流程图。具体实施方式需要特别说明的是，在不冲突的情况下，本申请公开的各个实施方式之间可以相互组合。具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，包括以下步骤：步骤一，在超短基线正常工作期间，根据安装在航行器的超短基线与海底应答器进行数据交互，得到超短基线定位结果；步骤二，根据步骤一中超短基线定位结果，结合惯性导航系统提供航行器的姿态、位置信息，通过惯导/超短基线组合导航的方式，确定组合导航输出位置、速度和航向信息；步骤三，在步骤一超短基线正常工作基础上，根据参考信号和超短基线接收信号进行信道估计，建立信道冲激响应函数；步骤四，根据步骤三中所得的信道冲激响应函数，结合步骤二中的组合导航输出信息，建立信道冲激响应函数变化与航行器位置、速度、航向的关系函数；步骤五，在超短基线无法正常工作期间，惯导在短时间内具有较高定位精度，为航行器提供位置、速度、加速度信息；步骤六，在步骤五超短基线无法正常工作基础上，根据步骤三所得的信道冲激响应函数，结合步骤二所得组合导航的位置、速度、航向信息和步骤五中当前惯导信息，通过步骤四中信道的关系函数，以维纳滤波的方式对当前声信道进行预测。所述的信道跟踪是指在信道连续变化的情况下利用信道跟踪算法实时更新信道状态信息的方法，在这篇专利中指的就是，在超短基线失效时，预知冲激响应函数情况下(即步骤三)，借助惯导信息，利用维纳滤波对信道的预测。是和预测并列的。本申请的思路是：若预知信道冲激响应函数，则可消除复杂多途以及多普勒频移产生的影响，因此通过惯性/超短基线组合的方式，以惯性信息反哺水声接收机，利用惯导的短时精度保持能力，有助于水声接收机抑制环境噪声、提高参数估计精度以及保持声链路的联通，提升超短基线定位的稳健性。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中，根据超短基线与应答器进行数据交互，超短基线声学位置解算模型为：建立基阵坐标系a，以声学基阵中心为原点oa，沿声学基阵平面指向水下航行器的艏向方向为ya轴，za轴垂直于基阵平面向上，xa、ya、za构成右手坐标系；应答器在基阵坐标系下的位置为：其中：R为声信号在水下航行器和应答器之间的传播距离，分别为应答器在xa轴方向的位置、ya轴方向的位置和za轴方向的位置；cosθx是信标在xa轴方向的位置与R的比值，cosθy是信标在ya轴方向的位置与R的比值；其中，c是水中声速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤一：利用安装在航行器中的超短基线与海底应答器进行数据交互，进而对超短基线进行定位，所述应答器能够接收超短基线发送的询问信号，并向超短基线回复确知的参考信号；/n步骤二：基于超短基线的定位结果并结合惯性导航系统，得到航行器的位置、速度和航向；/n步骤三：根据参考信号和超短基线接收信号进行信道估计，得到信道冲激响应函数；/n步骤四：根据步骤三得到的信道冲激响应函数，并结合航行器的位置、速度和航向，建立信道冲激响应函数变化与航行器的位置、速度以及航向的信道关系函数；/n步骤五：当超短基线无法正常工作时，获取惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向；/n步骤六：根据步骤二中得到的航行器的位置、速度和航向，并结合信道冲激响应函数以及步骤五中得到的惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向通过步骤四中得到的信道关系函数以维纳滤波的方式对当前声信道进行预测。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：利用安装在航行器中的超短基线与海底应答器进行数据交互，进而对超短基线进行定位，所述应答器能够接收超短基线发送的询问信号，并向超短基线回复确知的参考信号；
步骤二：基于超短基线的定位结果并结合惯性导航系统，得到航行器的位置、速度和航向；
步骤三：根据参考信号和超短基线接收信号进行信道估计，得到信道冲激响应函数；
步骤四：根据步骤三得到的信道冲激响应函数，并结合航行器的位置、速度和航向，建立信道冲激响应函数变化与航行器的位置、速度以及航向的信道关系函数；
步骤五：当超短基线无法正常工作时，获取惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向；
步骤六：根据步骤二中得到的航行器的位置、速度和航向，并结合信道冲激响应函数以及步骤五中得到的惯性导航系统当前时刻输出的航行器的位置、速度和航向通过步骤四中得到的信道关系函数以维纳滤波的方式对当前声信道进行预测。


2.根据权利要求1所述的一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，其特征在于所述惯性导航系统包括陀螺组件和加速度计组件。


3.根据权利要求1所述的一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，其特征在于所述步骤一中对超短基线进行定位的表达式为：



其中，为应答器在导航坐标系下的位置，为应答器在声学基阵坐标系下的位置，为基阵坐标系到载体坐标系的转换矩阵，ΔXb为载体坐标系与基阵坐标系之间存在坐标原点的位置安装偏差，为载体坐标系到导航坐标系的姿态矩阵。


4.根据权利要求3所述的一种基于惯性信息辅助的水声信道跟踪与预测方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤为：
首先根据超短基线定位结果和惯性导航系统输出的信息进行差...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑翠娥，赵韵，张居成，韩云峰，崔宏宇，张殿伦，
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