一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法与流程

本发明涉及水下定位导航领域，具体涉及一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法。

背景技术：

地表目标的定位通常采用卫星定位系统作为基本的技术手段，惯性定位导航技术为辅助的方式。但当目标处于水下时，由于水对无线电波的强烈吸收，导致目标无法利用卫星导航系统等地表成熟的导航方法；而传统常用的惯性定位导航系统的误差随时间增加而大量累积。因此，深海航行器在水下长时自主运行时，需要使用声波作为信息载体来进行水声定位技术，从而作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。水声定位技术现已经成功应用于军事、商用、民用工程。它能够为水下潜水器，如AUV(Autonomous Underwater Vehicle)等重要的定位、导航工作进行支撑。通过在作业海区的水面工作母船或者其他水下平台加装和布放声学定位设备，实现水面对水下目标位置的实时监控从而完成海洋科学考察、海洋资源勘探及开发、深海空间站建设等大工程。

根据定位系统基线长度的差别，一般将其划分为长基线水声定位系统、短基线水声定位系统和超短基水声定位系统。本发明针对长基线水声定位系统，因此重点介绍长基线水声定位系统。长基线水声定位系统的基线一般在几百米到数千米的量级上，具有作用距离远、定位精度高等优点，主要应用于水下载体定位、海底电缆铺设、海上石油勘探等方面。通过测量载体到相对/绝对位置已知的海底应答器的相对距离，采用距离交汇的方法解算目标坐标。

现有针对长基线水声定位系统的研究主要集中在抗多径、抗距离模糊、声线修正、信号设计优化等如何开发出传感器误差更小的产品上，鲜有研究关注如何定量分析如何评估长基线水声定位系统的性能。因此，本发明将长基线水声定位系统的性能与GDOP、HDOP和VDOP等指标联系起来，对长基线水声定位系统的性能评估，从而优化长基线水声定位系统的声信标布局方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，以解决上述问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，选取GDOP、HDOP和VDOP中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，其评估方法步骤如下：

S1.根据声信标数目N，确定长基线声信标几何布局方案；

S2.根据空间采样分辨率，对预投放的三维空间区域进行网格点划分；

S3.计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离；

S4.计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H；

S5.计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q；

S6.计算所述指定网格点的评估参数值；

S7.重复步骤S3～S6，计算其他网格点的评估参数值；

S8.选择合适的评估参数，对步骤S1中所确定的长基线声信标几何布局进行评估；

S9.根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。

进一步的，步骤S1中，所述声信标数目N必须大于或等于3，所述长基线声信标几何布局方案为同一平面的正N边形布局。

进一步的，步骤S2中，通过下列方法计算网格点数目M：

当所述预投放的三维空间区域为规则几何图形时，采用下列公式计算所划分的网格点数目M：

式中，a为预投放区域的长度值，b为预投放区域的宽度值，c为预投放区域的深度值，D₁为预投放区域在长度上的空间采样分辨率，D₂为预投放区域在宽度上的空间采样分辨率，D₃为预投放区域在深度上的空间采样分辨率。

当预投放的三维空间区域为不规则几何图形时，同样采用式(1)，按能将所述不规则图形包含在内的最小长方体计算所划分的网格点数目M，如果某一网格点正好处于声信标坐标，此时需要使用其他N-1个声信标坐标对此网格点进行评估。

进一步的，步骤S3中，根据下列公式计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离：

式中，x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

进一步的，步骤S4中，采用下列方法计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H：

所述声信标空间位置与指定网格点空间位置不处于同一平面时，采用下式计算观测矩阵H：

式中，x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

进一步的，所述声信标空间位置与指定网格点空间位置处于同一平面，即z_i等于z时，采用下式计算观测矩阵H：

x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

进一步的，步骤S5中，根据下列公式计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q：

进一步的，步骤S6中，采用下列公式计算所述指定网格点的评估参数GDOP、HDOP和VDOP值：

进一步的，所述声信标三维位置与指定网格点三维位置不处于同一平面时，选择评估参数GDOP、HDOP及VDOP对长基线水声定位系统声信标布局进行评估。

进一步的，所述声信标三维位置与指定网格点三维位置处于同一平面时，只选择评估参数HDOP对长基线水声定位系统声信标布局进行评估。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：

本发明提供的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，在预设计及投放海底声信标前采用GDOP(Geometric Dilution Of Precision，几何精度因子)、HDOP(Horizontal Dilution Of Precision，水平精度因子)和VDOP(Vertical Dilution Of Precision，垂直精度因子)作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，从而确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，该评估方法填补了我国对长基线水声定位领域的一项研究空白，其实用性强，具有十分重要的科研与实用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法流程图。

图2为本发明实施例1提供的，c取350m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

图3为为本发明实施例1提供的，c取400m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

图4为本发明实施例1提供的，c取450m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

图5为本发明实施例1提供的，c取350m时，指定区域的HDOP值及其等高线。

图6为本发明实施例1提供的，c取400m时，指定区域的HDOP值及其等高线。

图7为本发明实施例1提供的，c取450m时，指定区域的HDOP值及其等高线。

图8为本发明实施例1提供的，c取350m时，指定区域的VDOP值及其等高线。

图9为本发明实施例1提供的，c取400m时，指定区域的VDOP值及其等高线。

图10为本发明实施例1提供的，c取450m时，指定区域的VDOP值及其等高线。

图11为本发明实施例2提供的，c取350m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

图12为本发明实施例2提供的，c取400m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

图13为本发明实施例2提供的，c取450m时，指定区域的GDOP值及其等高线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，选取GDOP(Geometric Dilution Of Precision，几何精度因子)、HDOP(Horizontal Dilution Of Precision，水平精度因子)和VDOP(Vertical Dilution Of Precision，垂直精度因子)中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，其评估方法步骤如下：

S1.根据声信标数目N，确定长基线声信标几何布局方案；

具体的，在本实施例中，采用四声信标对预投放区域进行几何布局，所采用的布局方案为正四边形布局，四声信标坐标位置分别为p₁＝[400,400,0]m,p₂＝[-400,400,0]m,p₃＝[-400,-400,0]m,p₄＝[400,-400,0]m。

S2.根据空间采样分辨率，对预投放的三维空间区域进行网格点划分；

具体的，设定所述预投放的三维空间区域范围为[a,b,c]，其中a∈[-400,400]m，b∈[-400,400]m，c∈[350,450]m，设定所述空间采样分辨率为1m×1m×50m，当所述预投放的三维空间区域为规则几何图形时，采用下列公式计算所划分的网格点数目：

式中，a为预投放区域的长度值，b为预投放区域的宽度值，c为预投放区域的深度值，D₁为预投放区域在长度上的空间采样分辨率，D₂为预投放区域在宽度上的空间采样分辨率，D₃为预投放区域在深度上的空间采样分辨率。优选的，的值均为不大于的整数。

进一步的，当预投放的三维空间区域为不规则几何图形时，同样采用式(1)，按能将所述不规则图形包含在内的最小长方体计算所划分的网格点数目M，如果某一网格点正好处于声信标坐标，此时需要使用其他N-1个声信标坐标对此网格点进行评估。

S3.计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离；

具体的，根据下列公式计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离：

式中，x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

S4.计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H；

具体的，采用下列方法计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H：

当所述声信标空间位置与指定网格点空间位置不处于同一平面时，采用下式计算观测矩阵H₁：

式中，x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

进一步的，所述声信标空间位置与指定网格点空间位置处于同一平面，即z_i等于z时，采用下式计算观测矩阵H₂：

式中，x_i、y_i、z_i为第i个声信标的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，d_i为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。

S5.计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q；

具体的，根据下列公式计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q：

式中，H可取H₁或H₂。

S6.计算所述指定网格点的评估参数值；

具体的，采用下列公式计算所述指定网格点的评估参数GDOP、HDOP和VDOP值：

进一步的，当所述声信标空间位置与指定网格点空间位置处于不同一平面时，需根据式(6)、式(7)、式(8)分别计算评估参数GDOP、HDOP和VDOP值；当所述声信标空间位置与指定网格点空间位置处于同一平面时，只需根据式(7)计算评估参数HDOP的值。优选的，当用户对三维定位精度比较关注时，可以重点选取GDOP作为评估参数；优选的，当用户对水平面定位的精度比较关注时，可以重点选取HDOP作为评估参数；优选的，当用户对垂直定位精度比较关注，可以重点选择VDOP作为评估参数。

S7.重复步骤S3～S6，计算其他网格点的评估参数GDOP、HDOP和VDOP值；

S8.选择合适的评估参数，对步骤S1中所确定的长基线声信标几何布局进行评估；

具体的，设定所述预投放的三维空间区域范围为[a,b,c]，其中a∈[-400,400]m，b∈[-400,400]m，c∈[350,450]m，设定所述空间采样分辨率为1m×1m×50m，根据所述空间采样分辨率。c分别取350m、400m、450m，可获得GDOP与其等高线值图，如图2、图3、图4所示；可获得HDOP与其等高线值图，如图5、图6、图7所示；可获得VDOP与其等高线值图，如图8、图9、图10所示。

进一步的，对比图2、图3、图4，所述GDOP值随着感兴趣目标的离底高度增加而增加，且性能比较佳的位置位于中心位置。性能较佳区域近乎矩形，靠近声信标的位置，性能反而不佳。

进一步的，对比图5、图6、图7，所述HDOP值随着感兴趣目标的离底高度增加而增加，且性能比较佳的区域位于中心位置，形状近乎圆形。

进一步的，对比图8、图9、图10，所述VDOP值随着感兴趣目标的离底高度增加而减少，且性能比较佳的区域位于中心位置。

S9.根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述四声信标坐标位置分别为p₁＝[400,400,100]m,p₂＝[-400,400,200]m,p₃＝[-400,-400,300]m,p₄＝[400,-400,400]m。

进一步的，设定所述预投放的三维空间区域范围为[a,b,c]，其中a∈[-400,400]m，b∈[-400,400]m，c∈[350,450]m，设定所述空间采样分辨率为1m×1m×50m，c分别取350m、400m、450m，可获得GDOP与其等高线值图，如图11、图12、图13所示；

进一步的，对比图11、图12、图13，可以发现从GDOP值的角度来说，同一平面的正N边形声信标布局方案最优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。