CN107462865B - 基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法 - Google Patents

基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，属于水声定位技术领域。包括以下步骤：在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果；根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。本发明通过双精度差值最优化的方式，克服了单信标测距定位中目标航向角影响的问题，实现对水下目标航向误差的计算和补偿，提升了单标定位精度。

Description

基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法
技术领域
本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。
背景技术
随着世界经济的发展，人类已将资源开发和利用的重点转向海洋。海底光缆管线的铺设及其维护，水下载体作业时是直线航迹；海洋地貌绘制，水下载体作业时是梳形航迹；深水油气、天然气水合物及矿产资源的勘查，水下载体作业时是梳形航迹。水下载体的导航定位是顺利完成各项任务的首要前提和关键因素，基于单信标测距的定位是水下辅助导航的发展趋势，已成为国内外导航定位领域的研究重点。
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***、伽利略***、北斗***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(Remotely Operated Vehicle)和AUV(Autonomous Underwater Vehicle)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。
基于单信标测距的定位***是传统水声定位***简约化和组合化的结合，它将声学测距定位设备与目标运动状态传感器结合使用。声学测距定位设备基于的是大地坐标系，而目标运动状态传感器基于的是载体坐标系，我们需要通过坐标旋转矩阵将这两组不同的设备联立起来。当构成坐标旋转矩阵的姿态角存在误差时，会给大地坐标系下的目标运动速度引入误差，这其中目标航向角误差对目标运动速度的影响最大，进一步引起的定位误差也最大。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服目标航向角误差对定位结果的影响，对目标航向误差进行计算和补偿的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，包括以下步骤：
(1)在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果。
(2)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值。
(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。
特别地：
所述的在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果的方法为：当目标工作于2个信标的公共作用区域时，根据基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，可以分别获得两个信标Xt1和Xt2对水下目标的单信标测距定位结果X1和X2，这两个定位结果是独立的。
当水下载***于Xbn处时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和载体运动参数，基于真实信标AT构建n个虚拟信标。
对于信标Xt1，虚拟信标VT1i＝(xt1i,yt1i,zt1i)T与真实信标Xt1的关系满足：
Figure BDA0001358286280000021
利用虚拟信标VT1的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT1i||＝r1i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT1得到的单标定位结果为X1。
对于信标Xt2，虚拟信标VT2i＝(xt2i,yt2i,zt2i)T与真实信标Xt2的关系满足：
Figure BDA0001358286280000022
利用虚拟信标VT2的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT2i||＝r2i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT2得到的单标定位结果为X2。
所述的根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值的方法为：对水下目标的单信标测距定位结果X1和X2作差，得到双精度差值与航向误差之间的关数值关系。当航向角存在固定误差时，信标Xt1对载体的单标定位结果X1与Xt2对载体的单标定位结果X2的差值为固定值，且该差值与载体真实位置Xb无关，只与两个信标Xt1和Xt2的位置和航向角误差Δψ有关。
设载体真实位置为Xb＝(xb,yb,zb)T时，单信标Xt1＝(xt1,yt1,zt1)T的定位结果为X1＝(x1,y1,z1)T，单信标Xt2＝(xt2,yt2,zt2)T的定位结果为X2＝(x2,y2,z2)T，则两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：
||X2-X1||2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2
对于其中的(x2-x1)2项，联立载体真实东向位置xb可以写为：
(x2-x1)2＝((x2-xb)-(x1-xb))2
其中的(x2-xb)和(x1-xb)项，表示单标定位结果与载体真实位置的东向定位误差，根据单标定位的东向定位误差和北向定位误差分布图可知，东向定位误差与载体真实位置至信标的北向距离成比例，即：
Figure BDA0001358286280000031
则(x2-x1)2项可以进一步转化为：
(x2-x1)2＝(sin(Δψ)·(yb-yt2)-sin(Δψ)·(yb-yt1))2
＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2
同理，(y2-y1)2项可以进一步转化为：
(y2-y1)2＝(sin(Δψ)·(xt2-xb)-sin(Δψ)·(xt1-xb))2
＝(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2
至此，两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：
||X2-X1||2＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2+(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2+(z2-z1)2
所述的对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解的方法为：首先，根据单标定位结果X1和X2的差值||X1-X2||确定航向角补偿值Δψ的寻优空间；然后，使用线搜索法进行粗搜索，在寻优空间内遍历搜索，得到航向角补偿值Δψ的当前次优解；最后，使用信赖域法进行细搜索，以当前次优解为起点缩小遍历的区域范围，得到航向角补偿值Δψ的全局最优解。
Figure BDA0001358286280000041
本发明的有益效果在于：
在2个信标的公共作用区域，根据基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，分别获得两个信标对水下目标的单信标测距定位结果；根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解，最终解决了目标航向误差对定位结果的影响，实现了对目标航行误差进行计算和补偿，提升了单标定位精度。
附图说明
图1信标位于目标航迹异侧的定位结果；
图2信标位于目标航迹异侧的定位误差。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，包括以下步骤：
(1)在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果；
(2)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；
(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。
其中，步骤(1)具体实现方法：
(1.1)当水下载***于Xbn处时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和载体运动参数，基于真实信标AT构建n个虚拟信标。
(1.2)获得信标Xt1和水下目标的单信标测距定位结果X1：
对于信标Xt1，虚拟信标VT1i＝(xt1i,yt1i,zt1i)T与真实信标Xt1的关系满足：
Figure BDA0001358286280000042
利用虚拟信标VT1的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT1i||＝r1i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT1得到的单标定位结果为X1。
(1.3)获得Xt2和水下目标的单信标测距定位结果X2：
.对于信标Xt2，虚拟信标VT2i＝(xt2i,yt2i,zt2i)T与真实信标Xt2的关系满足：
Figure BDA0001358286280000051
利用虚拟信标VT2的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT2i||＝r2i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT2得到的单标定位结果为X2。
步骤(2)具体实现方法：
设载体真实位置为Xb＝(xb,yb,zb)T时，单信标Xt1＝(xt1,yt1,zt1)T的定位结果为X1＝(x1,y1,z1)T，单信标Xt2＝(xt2,yt2,zt2)T的定位结果为X2＝(x2,y2,z2)T，则两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：
||X2-X1||2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2
对于其中的(x2-x1)2项，联立载体真实东向位置xb可以写为：
(x2-x1)2＝((x2-xb)-(x1-xb))2
其中的(x2-xb)和(x1-xb)项，表示单标定位结果与载体真实位置的东向定位误差，根据单标定位的东向定位误差和北向定位误差分布图可知，东向定位误差与载体真实位置至信标的北向距离成比例，即：
Figure BDA0001358286280000052
则(x2-x1)2项可以进一步转化为：
(x2-x1)2＝(sin(Δψ)·(yb-yt2)-sin(Δψ)·(yb-yt1))2
＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2
同理，(y2-y1)2项可以进一步转化为：
(y2-y1)2＝(sin(Δψ)·(xt2-xb)-sin(Δψ)·(xt1-xb))2
＝(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2
至此，两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：
||X2-X1||2＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2+(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2+(z2-z1)2。
从公式可知，当航向角存在固定误差时，信标Xt1对载体的单标定位结果X1与Xt2对载体的单标定位结果X2的差值为固定值，且该差值与载体真实位置Xb无关，只与两个信标Xt1和Xt2的位置和航向角误差Δψ有关。
当存在航向角固定误差Δψ时，水下载体的单标定位结果X1和X2的差值为定值，那么通过对航向角进行补偿后，便能减小单标定位结果X1和X2的差值，最终使得补偿后的单标定位结果X1和X2的差值取得最小值。航向角补偿值的求解就变为如下同种类声学定位***双精度组合模式下的差值最优化问题：
Figure BDA0001358286280000061
步骤(3)具体实现方法：
(3.1)根据单标定位结果X1和X2的差值||X1-X2||确定航向角补偿值Δψ的寻优空间；
(3.2)使用线搜索法进行粗搜索，在寻优空间内遍历搜索，得到航向角补偿值Δψ的当前次优解；
(3.3)使用信赖域法进行细搜索，以当前次优解为起点缩小遍历的区域范围，得到航向角补偿值Δψ的全局最优解。
实施例：
下面对本发明提供的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法进行仿真分析：
布放在海底的两个声信标位置分别为(-1500,-1500,3600)m和(1500,1500,3600)m，信标位于目标航迹的异侧。水下目标在恒定深度3700m作前向速度1m/s的匀速直线运动，以航向90°航行3000m。测距周期为20s，虚拟信标个数为15个。对距离测量添加0.15m为标准差的随机误差，对目标前向速度添加3‰·v+0.002m/s为标准差的随机误差，对目标右向速度添加0.002m/s为标准差的随机误差，对目标航向角添加0.1°为标准差的随机误差，添加+1°的固定误差。当目标初始位置为(-1500,0)m时，不同信标对应的单信标测距定位结果和航向误差补偿后的定位结果如图1所示。不同信标对应的单信标测距定位误差和航向误差补偿后的定位误差如图2所示。从图中可以看出，航向角补偿后的单信标定位结果明显优于航向角补偿前的单信标定位结果，航向角补偿后的定位误差明显小于航向角补偿前的单信标定位误差。航向角误差补偿前定位误差在几十米的量级，航向角误差补偿后定位误差减小到几米的量级。
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。

Claims (5)

1.基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在2个信标的公共作用区域，分别获得2个信标对水下目标的单信标测距定位结果；
(2)根据2个信标各自的单信标测距定位结果，确定单标定位结果的差值；设载体真实位置为Xb＝(xb,yb,zb)T时，单信标Xt1＝(xt1,yt1,zt1)T的定位结果为X1＝(x1,y1,z1)T，单信标Xt2＝(xt2,yt2,zt2)T的定位结果为X2＝(x2,y2,z2)T，则两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：
||X2-X1||2＝(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2
对于其中的(x2-x1)2项，联立载体真实东向位置xb写为：
(x2-x1)2＝((x2-xb)-(x1-xb))2
其中的(x2-xb)和(x1-xb)项，表示单标定位结果与载体真实位置的东向定位误差，根据单标定位的东向定位误差和北向定位误差分布图可知，东向定位误差与载体真实位置至信标的北向距离成比例，即：
Figure FDA0002487832280000011
则(x2-x1)2项可以进一步转化为：
(x2-x1)2＝(sin(Δψ)·(yb-yt2)-sin(Δψ)·(yb-yt1))2
＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2
同理，(y2-y1)2项可以进一步转化为：
(y2-y1)2＝(sin(Δψ)·(xt2-xb)-sin(Δψ)·(xt1-xb))2
＝(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2
至此，两个信标Xt1和Xt2对载体的单标定位结果X1和X2的差值为：||X2-X1||2＝(sin(Δψ)·(yt1-yt2))2+(sin(Δψ)·(xt2-xt1))2+(z2-z1)2；航向角补偿值为Δψ；
(3)对单标定位结果的差值进行最优化处理，得到航向角补偿值的全局最优解。
2.根据权利要求1所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体实现方法：
(1.1)当水下载***于Xbn处时，利用第1～n-1个测距周期的测距信息和载体运动参数，基于真实信标AT构建n个虚拟信标；
(1.2)获得信标Xt1和水下目标的单信标测距定位结果X1：
对于信标Xt1，虚拟信标VT1i＝(xt1i,yt1i,zt1i)T与真实信标Xt1的关系满足：
Figure FDA0002487832280000021
利用虚拟信标VT1的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT1i||＝r1i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT1得到的单标定位结果为X1；
(1.3)获得Xt2和水下目标的单信标测距定位结果X2：
.对于信标Xt2，虚拟信标VT2i＝(xt2i,yt2i,zt2i)T与真实信标Xt2的关系满足：
Figure FDA0002487832280000022
利用虚拟信标VT2的位置，第i个测距周期对应的测距方程可以写成：
||Xb1n-VT2i||＝r2i
采用高斯牛顿法，得到基于虚拟信标VT2得到的单标定位结果为X2。
3.根据权利要求2所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于：两个信标Xt1和Xt2对水下目标的单信标测距定位结果X1和X2是独立的。
4.根据权利要求3所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于：当航向角存在固定误差时，信标Xt1对载体的单标定位结果X1与Xt2对载体的单标定位结果X2的差值为固定值，且该差值与载体真实位置Xb无关，只与两个信标Xt1和Xt2的位置和航向角误差Δψ有关。
5.根据权利要求4所述的基于单标定位双精度差值最优化的航向误差补偿方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体实现方法：
(3.1)根据单标定位结果X1和X2的差值||X1-X2||确定航向角补偿值Δψ的寻优空间；
(3.2)使用线搜索法进行粗搜索，在寻优空间内遍历搜索，得到航向角补偿值Δψ的当前次优解；
(3.3)使用信赖域法进行细搜索，以当前次优解为起点缩小遍历的区域范围，得到航向角补偿值Δψ的全局最优解；
Figure FDA0002487832280000023
s.t.{X1|||X-VT1i||＝r1i}
{X2|||X-VT2i||＝r2i}
其中，Δψ为航向角补偿值。
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