一种水下三维地形匹配定位导航声呐及导航方法与流程

本发明涉及海洋工程技术设备领域，特别是一种水下三维地形匹配定位导航声呐及导航方法。

背景技术：

auv等水下无人平台是未来的应用热点，自主定位导航能力是保证其到达指定地点顺利完成任务的前提。为了保持隐蔽性，其往往不能接收到水面及地上空间成熟应用的卫星定位系统信号。目前主流的水下定位导航方法是将惯导和多普勒计程仪信息相结合，但存在着累计误差；水下地形、磁场及重力场等地球物理属性一般不随时间和气候的变化而变化，也难以伪装和隐藏，因此近年来利用这些地球物理属性的匹配定位导航方法得到了人们的重视，成为了解决水下长航时精确定位导航的有效辅助手段之一。

水下地形匹配定位导航技术是近年来的关注热点，将地形匹配定位导航技术与其他导航方式进行组合可以获得更好的导航性能，其技术原理是由惯导和多普勒计程仪提供地理位置信息作为参考，利用自身配载的地形测量传感器实时获取水下地形，将实时测量地形与已存储的水下参考数字地形图进行匹配，以此来修正惯导和多普勒计程仪的累计误差，获得高精度的定位导航性能。现有的测量水下地形的传感器主要包括单波束测深声呐、多普勒测速声呐和多波束测深声呐等，获取的深度数据分别为单点、四点以及线地形等，水底地形信息量较少；采用的地形匹配定位导航算法也往往存在鲁棒性较差、收敛较慢等不足。这些问题限制了地形匹配定位导航功能在auv上的工程应用。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法，解决了传统声呐地形探测效率低、信息量少、地形匹配的效率与准确率低、无法修正惯导和多普勒计程仪的累计误差，无法提高地形匹配定位导航算法的鲁棒性的问题。

本发明采用的技术方案是，一种水下三维地形匹配定位导航声呐，包括控制系统、数据采集处理系统、多通道接收机、多通道稀疏平行接收线阵、多通道信号源、多通道发射机和多通道发射基阵；控制系统的输出端双向连接数据采集处理系统的输入端，数据采集处理系统的输出端分别连接多通道接收机和多通道信号源的输入端，多通道信号源的输出端连接多通道发射机的输入端，多通道发射机的输出端连接多通道发射基阵的输入端，多通道接收机的输出端连接多通道稀疏平行接收线阵的输入端。

优选地，多通道稀疏平行接收线阵包括第一均匀间距接收线阵、第二均匀间距接收线阵和第三均匀间距接收线阵；第一均匀间距接收线阵、第二均匀间距接收线阵和第三均匀间距接收线阵由等间距的多个接收阵元组成，其间距由水平观测扇面大小决定；两组相邻的平行阵列间距不等，两个间距的比值服从互质关系。

优选地，一种水下三维地形匹配定位导航声呐的导航方法，包括以下步骤

s1：水下三维地形匹配定位导航声呐数据处理流程；

s2：地形匹配处理流程；

s3：多源信息融合导航流程。

优选地，s1包括以下步骤：

s11：每条接收阵在水平方向上进行波束形成，对垂直于航行方向的发射扇面内的回波进行空间细分接收，得到回波的水平角θ；

s12：对相邻接收阵输出的同号波束回波进行相位差求解处理，利用每个样本对应的两组相位差之间的定量关系估计回波的俯仰角ψ；

s13：根据声波发射和回波到达之间的时间差估计声呐距目标之间的距离r；

s14：根据计算得到的回波的水平角θ、回波的俯仰角ψ和声呐距目标之间的距离r，从而得到目标每个回波样本对应的距离，对于水底的连续回波即能够得到连续的(r、θ、ψ)序列，从而获得连续的三维水下地形；

s15：依据步骤s11至s14同样的方法得到水中障碍目标的三维位置信息，为auv提供避碰依据。

优选地，s2采用了批相关和非线性滤波相结合的算法，当声呐载体当前定位误差较大时，批相关用以迅速捕获当前地理区域，为非线性滤波连续输出地理位置信息跟踪导航缩小搜索空间，提高搜索效率，进而结合粒子滤波等非线性滤波方法跟踪修正位置、速度等导航信息。

本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的有益效果如下：

1.利用多通道二维稀疏接收基阵方案并采用了针对性的信号处理方案，实现了水下三维“面”地形的测量，相比于传统的基于均匀间距的二维接收基阵方案，在复杂度有限增加条件下，将地形测量能力从“线”地形扩展为“面”地形；相比于传统的基于均匀间距的二维接收基阵方案，大大降低了系统复杂度。

2.在惯导和多普勒计程仪的基础上，融合地形匹配定位导航技术，利用批相关算法通过和数据库中存储的先验地形相匹配，即可以对声呐载体当前所在的地理位置进行辅助修正，再结合利用粒子滤波等非线性滤波算法跟踪修正位置、速度等导航信息，以实现声呐载体平台的辅助导航，能够有效辅助修正惯导和多普勒计程仪的累计误差，提高了导航系统的性能。

附图说明

图1为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的结构原理框图。

图2为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的硬件结构原理框图。

图3为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的多通道三条稀疏平行接收线阵组成方案。

图4为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的软件部分之基于多通道二维稀疏接收基阵方案的俯仰角解算流程图。

图5为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的软件部分之基于批相关和粒子滤波相结合的面地形匹配定位导航算法流程图。

图6为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的利用极大似然准则下的批相关进行面地形匹配定位的效果图。

图7为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的利用粒子滤波进行匹配导航的效果图。

图8为本发明水下三维地形匹配定位导航声呐及其导航方法的利用极大似然准则下的批相关和粒子滤波结合进行面地形匹配导航的效果图。

附图标记：11-水下三维地形匹配定位导航声呐数据处理流程、12-地形匹配处理流程、13-多源信息融合导航流程、14-水下三维地形匹配定位导航声呐采集数据、15-实测数据异常值检测与剔除、16-水下地形处理、17-局部水下“面”地形图重构、18-环境全源数据(电子海图,多波束数据,gis数据库)、19-建立水下参考地形图、20-基于极大似然准则的批相关和粒子滤波双重模式的地形匹配导航、21-惯性导航、22-多普勒测速仪、23-航位推算、24-卡尔曼滤波、25-导航信息输出、31-控制系统、32-数据采集处理系统、33-多通道接收机、34-多通道稀疏平行接收线阵、35-多通道信号源、36-多通道发射机、37-多通道发射基阵、38.接收阵元、39-第一均匀间距接收线阵、40-第二均匀间距接收线阵、41-第三均匀间距接收线阵。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种水下三维地形匹配定位导航声呐的总系统结构，包括：

s1：水下三维地形匹配定位导航声呐数据处理流程；

s2：地形匹配处理流程；

s3：多源信息融合导航流程。

s1包括：14-水下三维地形匹配定位导航声呐采集数据，15-实测数据异常值检测与剔除，16-水下地形处理，17-局部水下“面”地形图重构；

s2包括：18-环境全源数据(电子海图,多波束数据,gis数据库)，19-建立水下参考地形图，20-基于极大似然准则的批相关和粒子滤波双重模式的地形匹配导航；

s3包括：21-惯性导航，22-多普勒测速仪，23-航位推算，24-卡尔曼滤波，25-导航信息输出。

如图2所示，一种水下三维地形匹配定位导航声呐，，包括控制系统31、数据采集处理系统32、多通道接收机33、多通道稀疏平行接收线阵34、多通道信号源35、多通道发射机36和多通道发射基阵37；控制系统31的输出端双向连接数据采集处理系统32的输入端，数据采集处理系统32的输出端分别连接多通道接收机33和多通道信号源35的输入端，多通道信号源35的输出端连接多通道发射机36的输入端，多通道发射机36的输出端连接多通道发射基阵37的输入端，多通道接收机33的输出端连接多通道稀疏平行接收线阵34的输入端。

一种三维地形的匹配定位导航声呐，硬件系统由多通道信号源、多通道发射机、多通道接收机、数据采集处理系统、控制系统、多通道发射基阵和多通道稀疏平行接收线阵组成，软件主要包括“面”地形估计和“面”地形匹配辅助定位导航功能。

本发明的工作原理是控制系统接收指令控制整个声呐系统开始工作，多通道发射基阵发射覆盖垂直于航行方向的一定角度扇面的声波，沿航行方向的角度扇面可由多通道信号源和发射机接收到的控制系统传输过来的工作参数相控定向发射覆盖。多通道稀疏平行接收线阵接收水底散射回波，经过多通道接收机的滤波、放大等调理后，传输至数据采集系统进行采集和信号处理，实时解算得到海底“面”地形数据。当声呐载体初始位置误差较大时，采用基于批相关的“面”地形匹配定位导航模式(捕获模式)，融合惯导和多普勒计程仪得到的声呐载体当前所在的地理位置，缩小搜索空间后再采用基于粒子滤波的“面”地形匹配导航模式(跟踪模式)；而当声呐载体初始位置小初始误差时，融合地理位置信息后可直接进入跟踪模式，最终在滤波收敛达到稳态后实时输出导航位置。

本发明的目的是这样实现的：

1.多通道稀疏平行接收线阵由三条平行的线性阵列组成，每条线性阵列由等间距的多通道阵元组成，间距由水平观测扇面大小决定；两组相邻的平行阵列间距不等，两个间距的比值服从互质关系，如图3所示。

2.利用每条接收线阵数据进行相移波束形成，可以得到水平角θ的估计。如图4所示，利用空间同一位置回波在互质阵上的唯一对应关系可以进行声波信号俯仰角估计。根据1的基阵结构，存在以下关系式：

ψ是目标俯仰角；是间距最小(d1)的两个平行线阵相同水平角方向波束输出的相位差；是间距最大(d2)的两个平行线阵相同水平角方向波束输出的相位差；λ是声波波长。对于根据实际数据求出的和可以搜索求出一组最佳的整数组合(n1和n2)，代入上式即可求出俯仰角ψ。再根据探测信号发射和接收到的(θ,ψ)方向上的回波信号的时间差即可求出声呐与目标之间的距离r，从而实现了水中目标的三维定位。对于水底散射的连续回波即可依次求解出水平角θ方向上连续的水底“线”地形，不同水平角θ上的“线”地形即组成了“面”地形。

3.利用2中测得的“面”地形采取极大似然等准则的批相关匹配算法，结合惯导和多普勒计程仪提供的导航信息，即可大致缩小声呐载体当前所在的地理区域，在此基础上进一步结合粒子滤波等非线性滤波方法，跟踪修正位置、速度等导航信息，如图5所示。

如图6至图8所示，水下三维地形匹配定位导航声呐一般安装于auv的艏部，探测视角可指向前下方30°左右。声呐工作频率为150khz，波长为1cm，3条平行的接收线阵间距d1＝1.5cm，d2＝2.5cm，二者之比为3:5，满足互质关系要求。每条接收线阵包括48个阵元，间距为半波长0.5cm；发射弧形基阵通道数为5，水平覆盖角度扇面60°，垂直覆盖角度扇面20°，且俯仰角可通过控制5个发射通道所发射波形间的时延和相位关系进行调节。一次探测即可以获得60°×20°角度扇面内的“面”地形。将此“面”地形数据与事先获得的地形数据进行最大似然匹配运算得到比较准确的地理位置，并在此基础上采用粒子滤波，实现声呐载体连续的地形匹配定位，从而完成辅助导航。