【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下航行器自主导航，具体涉及一种基于四基站的水下航行器仅测距智能定位方法。
技术介绍
1、水下航行器在水体质量监测、水下生命搜索和救援等诸多任务中的需求越来越旺盛。然而，由于信号传输问题，水下航行器无法使用gps、北斗等全球卫星导航系统完成其自身的导航定位，而成本低廉的低精度惯导定位误差会快速发散，无法完成搜救任务中对导航定位的高精度要求。同时，由于受到水下能见度的影响，常用的slam等视觉导航方式也无法在水下使用。而基于声学测量的方式在水下传播衰减较小，可以远距离传播，因此声学定位成为了水下航行器导航的最重要的方式之一。通常，在湖泊、河流等水下救援等任务领域对导航定位的实时性要求很高，布置单一或两个声学信标基站的定位方式需要多次测量累积和s型等特殊机动辅助才能完成导航定位，无法满足实时性要求；三基站的导航定位方式也需要特殊机动辅助，同时存在信号遮挡或时频误差等问题而无法实现高精度。同时，现有的求解方法都涉及非线性方程组的迭代求解，计算量较大，给航行器的算力要求较高。
技术实现思路
1、针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于面向湖泊、河流等水下搜索、救援任务，提供基于四基站的水下航行器声学仅测距导航方法，该方法设计合理，操作简单，无需高精度惯性导航等定位系统，仅使用预先布设的固定位置声学信标基站，利用安装在水下航行器上的换能器发射声学信号和水下基站上返回信号的应答器测量相对距离，在不需要特殊机动运动辅助的条件下实现水下航行器的自主导航定位。
2、本
3、步骤1，建立非共面构型布设四个声学信标固定基站；
4、步骤2，建立水下航行器与固定基站之间距离测量值野值剔除算法模型，通过比较前后测距的数据剔除野值，提高测量信息，得到准确的测距值；
5、步骤3，建立基于水下航行器与四基站声学测距的导航定位算法模型，输入测距值计算得到水下航行器的三维位置矢量；
6、步骤4，建立基于径向基神经网络的四基站声学测距导航定位求解模型，输入包含相对位置、速度以及测距值的数据序列，输出水下航行器的实时位置矢量，实现水下航行器的实时导航定位。
7、作为优选，步骤1)设计水下任务的四基站布设构型为三个基站位于同一平面内，形成三角形的三个顶点，而第四个基站则置于该平面之外，与其余三个基站不共面。样设计的目的是解决共面基站测距定位带来的模糊性问题，即三基站或两基站测距定位模式必然会出现多解问题，无法实现精确定位，必须依赖航行器进行大幅度的s型机动来去模糊性，这样不利于快速的水下救援任务。
8、作为优选，步骤2)中若当前测距值与上一时刻测距值之差绝对值超过平均位移距离||δr||，则将当前测距值剔除，并修订为前一时刻的测距值，表示为：
9、
10、式中，j表示测量时刻，
11、作为优选，步骤2)中引入滑动窗对测距数据进行平滑，表示为：
12、
13、其中，i＝1,2,3,4表示基站的编号，ρi,j表示水下航行器与基站#i之间的距离。
14、作为优选，步骤3)中水下航行器的换能器按照固定频率广播发射声学信号，基站接收到信号后立即返回应答信号，水下航行器的换能器接收到返回的信号后记录声学信号收发的时间差，根据时间差解算得到距离测量：其中，v是声速，δt是信号收发时间差，单次能够获得四个基站的四个距离测量，得到四个水下航行器与基站的测距关系式，拟合求解未知数——水下航行器的三维位置矢量。
15、作为优选，水下航行器与基站的测距关系式表示为：
16、
17、其中，i＝1,2,3,4表示基站的编号，j表示测量时刻；pvj表示水下航行器在j时刻的位置矢量，xj、yj和zj是航行器在j时刻对应的三轴分量；pbi表示第i个基站的位置矢量，xbi、ybi和zbi是第i个基站对应的三轴分量；nρ是测量噪声。
18、作为优选，步骤4)中求解模型包括数据产生器和径向基神经网络，所述数据产生器根据水下航行器通常采用的匀速直线、转弯、上浮、下潜运动基元和动力学模型生成基站测量坐标系下的相对位置、速度以及四基站距离测量数据序列，对生成的训练数据进行归一化预处理后输入四输入三输出的三层前馈径向基神经网络，该神经网络的梯度下降优化算法采用sgd算法，利用归一化后的数据作为径向基神经网络的输入量进行离线训练，建立由四个测距信息到水下航行器三维位置坐标的映射网络模型，实现离线训练、在线使用的解算。
19、作为优选，神经网络包括输入层、隐藏层以及输出层的三层前馈径向基神经网络，隐藏层采用径向基函数表示为：其中，xi是第i个样本，mj是第j个隐藏层节点的中心，是σj是隐藏层的宽度参数。
20、作为优选，采用sgd算法作为神经网络的随机梯度下降优化算法，神经网络层数为3，采用径向基神经网络输出的水下航行器位置坐标与其标称值的均方差作为网络训练的损失函数，表示为：其中，n是样本数，pvjl是航行器位置坐标的标称值，网络模型输出的位置坐标预测值。
21、作为优选，归一化预处理为：其中，x为原始数据，为归一化处理后的数据，将归一化处理后的数据作为径向基神经网络的输入量进行离线训练，建立由四个测距信息到水下航行器三维位置坐标的映射网络模型；然后将该网络模型部署在水下航行器上，将测量的距离信息输入到该网络模型之中实现离线训练、在线使用的位置坐标解算。
22、本专利技术的有益效果：
23、本专利技术通过设计非共面的四面体构型的四个声学基站，解决共面基站或更少基站配置情况下出现的测距定位模糊性问题，为实现高精度快速定位提供信源支撑；利用水下航行器的运动特性，建立水下航行器与固定基站之间距离测量值野值剔除与平滑插值算法模型；设计径向基神经网络，构建四基站声学测距导航定位求解模型，实现水下航行器实时快速高精度求解。
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1.一种基于四基站的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤1中，非共面构型四基站为三个基站位于同一平面内，形成三角形的三个顶点，而第四个基站则置于该平面之外，与其余三个基站不共面。
3.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤2中，若当前测距值与上一时刻测距值之差绝对值超过平均位移距离||Δr||，则将当前测距值剔除，并修订为前一时刻的测距值，表示为：
4.根据权利要求3所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤2中，引入滑动窗对测距数据进行平滑，表示为：
5.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤3中，水下航行器的换能器按照固定频率广播发射声学信号，基站接收到信号后立即返回应答信号，水下航行器的换能器接收到返回的信号后记录声学信号收发的时间差，根据时间差解算得到距离测量：其中，v是声速，Δt是信号收发时间差，单次能够获得四个基站的四个距离测量，得到四个水下航行器与基站的测距关系式
6.根据权利要求5所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，所述水下航行器与基站的测距关系式表示为：
7.根据权利要求1-6任意一项所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤4中，所述求解模型包括数据产生器和径向基神经网络，所述数据产生器根据水下航行器通常采用的匀速直线、转弯、上浮、下潜运动基元和动力学模型生成基站测量坐标系下的相对位置、速度以及四基站距离测量数据序列，对生成的训练数据进行归一化预处理后输入四输入三输出的三层前馈径向基神经网络，该神经网络的梯度下降优化算法采用SGD算法，利用归一化后的数据作为径向基神经网络的输入量进行离线训练，建立由四个测距信息到水下航行器三维位置坐标的映射网络模型，实现离线训练、在线使用的解算。
8.根据权利要求7所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤4中，所述神经网络包括输入层、隐藏层以及输出层的三层前馈径向基神经网络，隐藏层采用径向基函数表示为：其中，xi是第i个样本，mj是第j个隐藏层节点的中心，是σj是隐藏层的宽度参数。
9.根据权利要求7所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，采用SGD算法作为神经网络的随机梯度下降优化算法，神经网络层数为3，采用径向基神经网络输出的水下航行器位置坐标与其标称值的均方差作为网络训练的损失函数，表示为：其中，n是样本数，Pvjl是航行器位置坐标的标称值，网络模型输出的位置坐标预测值。
10.根据权利要求7所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，所述归一化预处理为：其中，x为原始数据，为归一化处理后的数据，将归一化处理后的数据作为径向基神经网络的输入量进行离线训练，建立由四个测距信息到水下航行器三维位置坐标的映射网络模型；然后将该网络模型部署在水下航行器上，将测量的距离信息输入到该网络模型之中实现离线训练、在线使用的位置坐标解算。
...【技术特征摘要】
1.一种基于四基站的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤1中，非共面构型四基站为三个基站位于同一平面内，形成三角形的三个顶点，而第四个基站则置于该平面之外，与其余三个基站不共面。
3.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤2中，若当前测距值与上一时刻测距值之差绝对值超过平均位移距离||δr||，则将当前测距值剔除，并修订为前一时刻的测距值，表示为：
4.根据权利要求3所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤2中，引入滑动窗对测距数据进行平滑，表示为：
5.根据权利要求1所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤3中，水下航行器的换能器按照固定频率广播发射声学信号，基站接收到信号后立即返回应答信号，水下航行器的换能器接收到返回的信号后记录声学信号收发的时间差，根据时间差解算得到距离测量：其中，v是声速，δt是信号收发时间差，单次能够获得四个基站的四个距离测量，得到四个水下航行器与基站的测距关系式，拟合求解未知数——水下航行器的三维位置矢量。
6.根据权利要求5所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，所述水下航行器与基站的测距关系式表示为：
7.根据权利要求1-6任意一项所述的水下航行器声学仅测距导航方法，其特征在于，步骤4中，所述求解模型包括数据产生器和径向基神经网络，所述数据产生器根据水下航行器通常采...
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