一种基于usbl辅助低成本sins系统的定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于US化辅助低成本SINS系统的定位方法，属于水下导航技术领 域。
【背景技术】
[0002] 在21世纪，人类将越来越多地向海洋获取物质资源和生存空间，水下航行器作为 一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式的小型载体可W代替 或辅助人去完成某些水下作业勘探和侦察任务。水下航行器在配备探测、监视和环境传感 用的成套声学和非声学传感器W及水下高速火箭、防御武器等时，可用于潜艇战、水雷战、 侦察、监视和水下攻击等各方面。由于水下航行器的活动范围广、体积小、重量轻、噪音低、 隐蔽性高，现已成为各发达国家军事海洋技术研究的一个重要方向。
[0003] 水下高精度导航和定位技术是解决水下作业的前提和关键，为保证自主水下航行 器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)能够顺利的完成水下的相关任务，要求AUV导航 系统具有水下长期自主的导航定位和返航能力。目前已有的定位技术中，惯性导航系统 (INS)因其隐蔽性强和自主性在水下航行器中得到广泛应用，虽然惯导技术本身已日渐成 熟，但其误差会随着时间积累，因此，伴随惯导技术发展的同时，世界各国都一直在探索惯 导系统的校准方法。L化化ong Base Line,长基线)水声定位系统通常是由基线长度为几千 米的海底应答器阵和被定为载体上的问答机组成，利用水下目标与海底阵元之间的距离信 息来求解目标位置，但是水下布放、回收、校准基阵比较麻烦，且数据更新频率较低，作业复 杂。超短基线只有一个尺寸很小的基阵安装在载体上，无需布放基阵，使用比较灵活和方 便。
[0004] 对超短基线声学定位系统研究较早的是挪威的Kongsberg Simrad公司，该公司于 1997年推出了世界领先水平的高精度长程超短基线定位系统一化PAP350,作用距离可达 3000米，距离测量精度优于20cm，随后推出HiPAP500,作用水深达4000m，测距精度优于 20cm;新近推出的化PAPP700，作用水深达10000米，测距精度优于50cm，也是世界上唯一工 作水深上万米的长程超短基线定位系统。另外，法国0CEAN0 Technologies公司推出的 化sidonia 6000长程超短基线定位系统，工作水深6000m，最大作用距离8000m，在6000m水 深300度开角范围内，测距精度为0.5%，询问频率为8-14曲Z，应答频率为14-18曲Z，该系统 已经成功推向市场。
[000引由于国内对AUV技术开始研究的时间较晚，与欧美等发达国家相比，在很多方面都 存在着不足。但随着不断的投入也取得了很大的进展。国内具有代表性的水声定位系统是 哈尔冰工程大学水声工程学院研制出了四种基于声学定位的系统:深水重潜装潜水员超短 基线定位系统、"探索者"号水下机器人超短基线定位系统，灭雷具配套水声跟踪定位装置、 长程超短基线定位系统。此外，范欣等提出了一种基于多传感器信息融合的水下航行器组 合导航方法，建立了基于SINS\WL\L^\深度计\航向传感器的误差模型，推导了多传感器 信息融合模型，仿真结果表明该方法提高了远程自主水下航行器的导航精度；章大勇等提 出了一种基于SINS/PL化的AUV组合导航算法研究，分析了不同运动状态下的可观测性条 件，为后续的研究提供了依据。
[0006] 采用US化超短基线定位系统，利用宽带信号进行定位时，高精度时延差的获取是 水下定位精度的关键因素，但是水下环境复杂，有海洋环境噪声、舰船福射噪声、海洋混响 等因素影响，使得采用互相关函数的相关峰有模糊峰现象，使得时延差难W准确获取，造成 水下定位误差。
【发明内容】
[0007] 本发明的技术解决问题是:针对现有技术的不足，提出一种基于US化辅助低成本 SINS系统的定位方法。
[0008] 本发明的技术解决方案为:本发明提出的一种基于US化辅助低成本SINS系统的定 位方法，其特征在于，由捷联惯性导航系统SINS和超短基线系统US化组成，利用Klaman滤波 方法完成组合导航：
[0009] (1)超短基线由安装在AUV上的基阵和布放在海底的单应答器组成，基阵用于接收 单应答器的信号，接收信号两两进行广义加权二次相关，得到时延差；
[0010] (2)根据得到的时延差，进行USBL位置结算，得到AUV的位置时SBL;
[0011] (3)捷联惯性导航系统SINS通过捷联结算得到AUV的位置信息PsiNS;
[0012] (4)US化位置解算结果和SINS位置输出结果进行Kalman滤波，滤波输出校正SINS 位置输出。
[0013] 本发明还包括W下特征：
[0014] 1.广义加权二次相关获取时延差通过W下具体步骤实现：
[0015] (1)海底单应答器的应答信号为x(t)，第i个水听器接收到的信号为Xi(t)=aiX(t-1〇+山(1：)，第^'个水听器接收到的信号为刮（1：)=曰巧(1：-1如]1加），其中€4、曰功声信号在水 中传播的衰减系数，m(t)、n^t)为噪声信号，τι、τ^为传播时间；
[0016] (2)Xi(t)的自相关函数为
Xi(t)与Xj(t)的互相关 函数天
串中τ = τ厂τι，表示到达时间差，T表示观测时间；
[0017] (3)Rii(T)和Ru(T)看成新的信号函数，再次进行广义互相关，新的互相关函数
[001引（4 )根据维纳-辛钦定理可知，互功率谱和互相关函数之间关系为：
是Rii(t)和Rij(t)之间的互功率谱；
[0019] (5)为了抑制噪声的影响，选择频域加权函数φυ(")对信号进行滤波，在傅里叶逆 变换到时域得到广义互相关函数，即：
[0020] (6)从广义互相关函数的相关峰中选取峰值最大的相关峰，对应的横坐标值为时 延差τ。
[0021] 2.根据时延差，进行US化位置解算通过W下具体步骤实现：
[0022] (1)声学基阵由互相垂直安装在基阵坐标X轴和Y轴上的4个水听器组成，海底单应 答器地理坐标已知.
[0023] (2)海底应答器在声学基阵坐标系（a系）下的位置为（x，y，z):
Τχ和Ty为时延差，C为水中的声速，d为阵元间距，R为应答器到AUV 的距离，R = 7评，T为往返时间；
[0024] (3)将求得的位置坐标(x，y，z)进行坐标变换，得到AUV相对于海底应答器的相对 位置，在根据已知的海底应答器的坐标得到水下AUV的位置。
[0025] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0026] 与现有技术相比，本发明通过将水听器的接收信号先进行自相关和互相关，然后 在进行广义互相关，在广义互相关的基础上添加了权重函数进行频域滤波，经过广义加权 二次相关后，增强了信号中信噪比比较高的频率成分，抑制了噪声的影响，锐化了峰值，在 低信噪比的情况下，依然能得到高精度时延差;US化定位输出校正了 SINS导航误差，弥补了 SINS长时间航行误差积累的问题，避免了无线电定位系统和长基线定位系统的使用，保证 了水下高精度导航的要求。
【附图说明】
[0027] 图1为US化辅助SINS定位示意图；
[002引图2为US化定位原理示意图；
[0029] 图3为同轴两个基元声线平行定位原理示意图；
[0030] 图4为广义加权二次相关时延估计原理图；
[0031 ] 图5为US化和SINS组合导航原理示意图
【具体实施方式】
[0032] 本发明提出的一种基于US化辅助低成本SINS系统的定位方法，采用W下具体方式 实现：
[0033] 1.如图1所示，本发明由安装在AUV上的低成本捷联惯性系统系统SINS和超短基线 系统US化组成。超短基线系统由安装在AUV上的声源、声学基阵和海底单应答器组成，已知 单应答器的地理坐标为昭，应答器发出的信号基阵原点的声线与X轴和Y轴的夹角分别为α 和β，应答器与基阵的距离是R = ^cr，T为往返时间，C为水中的声速，超短基线定位原理示 意图如图2所示，由图2可知：
[0034]
[003引由于超短基线系统基阵间距离较小，可W认为应答器信号到所有基元的声线平 行，如图3所示，有
d为阵元间距，所W可得
因此 测得时延差和距离R可W得出应答器在声学基阵坐标系(a系)下的坐标巧，
[0036] 2.上述时延差根据广义加权二次相关获得，广义加权二次相关时延估计原理图如 图4所示，具体实现方式如下：
[0037] (1)海底单应答器的应答信号为x(t)，第i个水听器接收到的信号为xi(t)=aix(t- 1〇+山(1：)，第^'个水听器接收到的信号为刮（1：)=曰巧(1：-1如]1加），其中€4、曰功声信号在水 中传播的衰减系数，m(t)、n^t)为噪声信号，τι、τ^为传播时间；
[003引（2)Xi(t)的自相关函数为
Xi(t)与Xj(t)的互相关 函数戈
其中τ = τ厂τι，表示到达时间差，T表示观测时间；
[0039] (3)Rii(T)和Ru(T)看成新的信号函数，再次进行广义互相关，新的互相关函数
[0040] (4)根据维纳-辛钦定理可知，互功率谱和互相关函数之间关系为：R財=
Gi2( ω )是Rii(t)和Rij(t)之间的互功率谱；
[0041] (5)为了抑制噪声的影响，选择频域加权函数φ?2(ω)对信号进行滤波，在傅里叶逆 变换到时域得到广义互相关函数，即：
[0042] (6)从广义互相关函数的相关峰中选取峰值最大的相关峰，对应的横坐标值为时 延差τ;
[0043] 3.已知应答器在地理坐标系(η系）下位置为巧，通过坐标变换得到AUV在地理坐标 系下位置的具体实现方式如下：
[0044] (1)设时SBL为通过超短基线系统测得的AUV在地理坐标系的位置，Pnt为在地理坐标 系下AUV相对应答器的位置，则=谬+ Ik，巧为应答器在地理坐标系(η系)下位置； [004引（2)设地理坐标系为η系，声学基阵坐标系为a系，载体坐标系为b系，根据时延差求 得应答器在声学基阵坐标系(a系）下为位置为巧，由声学基阵坐标系到载体坐标系的坐标 转换可W得到应答器在载体坐标系下的位置巧二巧呼+邸，邸为基阵坐标系在载体坐标 系的安装误差，Cf为声学基阵坐标系到载体坐标系的变换矩阵；
[0046] (3)由载体坐标系到地理坐标系的坐标变换可W得到AUV相对应答器在大地坐标 系的位置Pnt二巧Pfb;
[0047] (4)因此超短基线系统测得AUV的位置为
[0048] 4.捷联惯