一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法与流程

本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

背景技术：

目前对于水上目标的定位通常采用卫星技术为主的技术手段(gps系统、伽利略系统、北斗系统等)，辅以惯性及其它定位技术。当目标处于水下时，由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，限制了卫星定位的应用。此时，以声波作为信息载体的水声定位技术成为主要选择，不但能完成对目标的定位、导航，还能作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。

水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工程。它能够提供海底勘查设备如rov(remotelyoperatedvehicle)和auv(autonomousunderwatervehicle)等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互，是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段。

传统的水声定位系统常用的是长基线和超短基线。定位误差有界且不会累积，能够实现对水下载体的高精度定位而获得了广泛的应用。在长时间、大范围和远距离的定位需求的应用背景下，基于单信标测距的定位技术是水声定位技术的一个新的研究方向，它是传统水声定位系统组合化和简约化的结合。简约化是因为它只需要在海底布放一个声信标，提高了使用便捷性和作业效率；组合化是因为它将声学测距定位设备与载体运动传感器组合使用。常规的解算方法基于的是卡尔曼滤波，但该算法存在受滤波参数和位置初值影响严重的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够解决常规的基于卡尔曼滤波的解算方法受滤波参数和位置初值影响严重问题的基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，其具体的实现步骤包括：

(1)根据坐标系旋转理论，将水下目标在载体坐标系中的运动参数转化为大地坐标系中的运动参数；

(2)根据水下目标大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立虚拟测距信标；

(3)根据虚拟测距信标位置和单信标测距信息建立观测方程，建立虚拟长基线定位的概念；

(4)对单信标测距观测方程组成的定位方程组求解，得到目标在大地坐标系中位置。

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(1)的具体实现步骤包括：

(1.1)将声学测距系统的测距仪安装在水下目标平台上，将声信标通过锚系结构布放与水底，预先标定得到信标在大地坐标系下的地理位置at；

(1.2)将载体坐标系安装在水下目标上，在载体坐标系下测量水下目标的运动参数，在大地坐标系下测量水底声信标的位置；

(1.3)测量载体坐标系与大地坐标系之间的夹角，得到水下目标的姿态角，其中水下目标的姿态角包括航向角ψ、俯仰角θ和横滚角

(1.4)通过水下目标的姿态角计算水下目标的旋转角

(1.5)通过旋转矩阵将载体坐标系{b}变换到大地坐标系{l}，

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(2)的具体实现步骤包括：

(2.1)通过载体坐标系测量得到水下目标的运动速度为^bvb＝(vf,vr,vv)^t，由步骤(1)得到载体坐标系变换到大地坐标系的旋转矩阵

(2.2)根据水下目标的运动速度^bvb及载体坐标系变换到大地坐标系的旋转矩阵得到水下目标在大地坐标系下的运动速度^lvb，

(2.3)测量不同测距周期t下水下目标的坐标位置以及水下目标至水底布放的单只声信标的测量距离，根据测量的数据建立对应的声学测距观测方程；

(2.4)根据水下目标工作时的运动参数，测量第i个测距周期ti的水下目标在大地坐标系下的速度^lvbi，计算得到相邻测距周期水下目标的位置关系；

(2.5)通过相邻测距周期水下目标的位置关系求解不同测距周期对应的声学测距观测方程，建立虚拟测距信标vt。

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(3)的具体实现步骤包括：

(3.1)根据载体坐标系测量第n个测距周期时水下载体的坐标xbn，确定虚拟测距信标vti至水下目标的测量距离ri，根据虚拟测距信标位置和单信标测距信息建立观测方程；

(3.2)利用多个测距周期的观测方程构成观测方程组，建立虚拟测距信标个数与距离测量观测方程相等的物理模型，形成虚拟长基线定位的概念。

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(4)的具体实现步骤包括：

(4.1)根据建立的虚拟信标的坐标vti确定与实际布放的单只信标at的关系；

(4.2)利用虚拟信标vti的位置确立水下目标对应的声学测距观测方程，建立相邻测距周期的声学测距的线性方程，通过类推求解构建定位方程组；

(4.3)将定位方程组的各个单信标测距观测方程进行线性化处理，消除二次项，对线性化处理后的定位方程组求解，得到目标在大地坐标系中的位置。

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(1.1)中标定信标在大地坐标系下的地理位置at的具体实现步骤包括：

(1.1.1)水面母船以信标所在水平位置为圆心，信标深度为半径作圆形机动，利用水面母船上的声学测距系统对布放在水底的信标进行声学测距；

(1.1.2)水面母船获得声学测距信息的同时记录声学测距系统处的gps位置信息，利用圆交汇的定位解算方法得到布放在水底的信标的绝对位置。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法通过水下目标大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立了虚拟测距信标；根据虚拟测距信标位置和单信标测距信息建立了观测方程，并建立了虚拟长基线定位的概念；通过对单信标测距观测方程组成的定位方程组求解，得到了水下目标在大地坐标系中位置；

本发明公开的这种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法通过构建虚拟测距信标，建立了虚拟长基线定位的物理模型，实现对水下目标的单信标测距定位，提高了测量精度，解决了常规的基于卡尔曼滤波的解算方法受滤波参数和位置初值影响严重的问题。

附图说明

图1为本发明载体坐标系与大地坐标系转换示意图；

图2为本发明虚拟测距信标建立示意图；

图3为本发明虚拟长基线定位示意图。

具体实施方式

在水声定位系统中，单次距离测量只能得出水下目标是在以水底声信标为球心、以测量距离为半径的球上，不能确定水下目标的具体位置。本发明根据水下目标大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立虚拟测距信标，基于虚拟测距信标对水下目标进行定位解算，下面结合附图对本发明做进一步描述：

首先介绍单信标测距的定位系统组成：基于单信标测距的定位系统由声学测距系统和声信标组成，当该定位系统用于水下目标的定位导航时，通常将声学测距系统的测距仪安装在水下目标平台上，声信标通过锚系结构布放于水底，并预先标定得到信标在大地坐标系下的地理位置at＝(xt,yt,zt)^t，利用声信号传播的时间可以确定被水下目标与水底声信标之间的距离。

水下目标的运动参数如速度和姿态是在载体坐标系下测量得到的，水底声信标的位置是在大地坐标系下得到的。载体坐标系随着水下目标一起运动，而水下目标导航定位常采用大地坐标系。所以需要进行坐标转换，将水下目标的运动参数统一到大地坐标系下。

结合图1，从大地坐标系到载体坐标系共经历了三次坐标旋转，其中，载体坐标系随着水下目标一起运动，其与大地坐标系之间的夹角描述了水下目标的姿态角，即航向角ψ、俯仰角θ和横滚角旋转角

载体坐标系{b}变换到大地坐标系{l}的旋转矩阵

水下目标在载体坐标系下的速度为^bvb＝(vf,vr,vv)^t；水下目标在大地坐标系下的速度为^lvb＝(vx,vy,vz)^t。则^lvb和^bvb满足如下关系式：

当水下目标的坐标为xbi＝(xbi,ybi,zbi)^t，水下目标至水底布放的单只声信标的测量距离为ri；水下目标的坐标为xb(i+1)＝(xb(i+1),yb(i+1),zb(i+1))^t，水下目标至水底布放的单只声信标的测量距离为ri+1。则不同测距周期对应的声学测距观测方程为：

结合水下目标工作时的运动参数，设第i个测距周期时水下目标在大地坐标系下的速度为^lvbi＝(vxi,vyi,vzi)^t，测距周期为t，则相邻测距周期的水下目标的位置关系满足：

将公式(4)代入公式(3)，不同测距周期对应的声学测距观测方程为：

将公式(5)中的xt-vxi·t、yt-vyi·t和zt-vzi·t作为一个整体，这就相当于把水下目标的运动参数转移给了实际布放的信标，则声学测距观测方程的物理意义变成水下目标在xbi处与不同声信标的测量距离。

其中，结合图2，vt＝(xt-vxi·t,yt-vyi·t,zt-vzi·t)^t作为新的信标的位置不是真实存在的，我们可称之为虚拟测距信标。

结合图3，为虚拟长基线的定位原理，当虚拟测距信标的个数为n个时，基于虚拟测距信标对水下目标的位置xbn进行定位解算时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和水下目标的运动参数，基于真实信标at构建了n个虚拟测距信标；当虚拟测距信标的个数为n个时，基于虚拟测距信标对水下目标的位置xb(n+1)进行定位解算时，利用第2～n个测距周期的测距信息和水下目标的运动参数，基于真实信标at构建了n个虚拟测距信标；依此类推基于单信标测距完成对水下目标任意位置的跟踪定位。

建立的虚拟信标的坐标为vti＝(xti,yti,zti)^t，其与实际布放的单只信标at的关系满足：

利用虚拟信标vti的位置，水下目标对应的声学测距观测方程可以写成：

根据上述测距方程可以得到一组二次非线性方程，相邻测距周期的声学测距观测方程为：

将相邻测距周期的声学测距观测方程相减消去二次项，得到一个声学测距的一次项线性方程。依次类推，得到n-1个一次项线性方程构成的定位方程组：

b＝ax(9)

其中，a＝[(xt(i-1)-xti)，(yt(i-1)-yti)，(zt(i-1)-zti)]

当a^ta为可逆阵时，根据最小二乘法，可得到水下目标xb(n+1)的最优解为：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。