CN107678032A - 一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，属于水声定位技术领域。本发明利用水下目标声学测距周期，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发射信标；利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立虚拟接收信标；根据虚拟发射信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立观测方程；通过对基于虚拟收发信标的观测方程组成的定位方程组进行求解，解算得到了水下目标在大地坐标系中的位置。本发明通过构建虚拟接收信标和虚拟发射信标，克服了单信标测距定位中声学测距收发非共点的问题，提高了水下运动目标的单信标测距的定位精度。

Description

一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法
技术领域
本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于虚拟收发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***、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。
声学测距是基于相关分析法的相关滤波效应以及信号与其经过延时后信号的互相关函数的时移特性的相关测量，是在背景噪声大的环境中，准确进行距离测量的有效方法，其抗干扰能力强，测量准确，精度高。
声学测距***在目标定位的方法中是一种常用且有效的方式，声学测距***在基于单信标测距的定位***工作时，声学测距***的测距仪在每个测距周期发射测距信号。由于水下目标运动的影响，声学测距***发射信号的位置和接收信号的位置发生了改变。因此，水下目标发射点至信标对应的单程传播时间和水下目标接收点至信标对应的单程传播时间是不同的。
常规的定位解算模型以双程传播时延的一半作为单程传播时延的近似量不再准确，为了补偿水下目标运动造成的单程传播时延近似误差，提高单信标测距定位***对水下运动目标的定位精度，我们需要克服水下目标声学测距信号发射与接收非共点的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够克服水下目标声学测距信号发射与接收非共点的问题且能提高单信标测距定位***对水下运动目标的定位精度的基于虚拟收发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收发信标的单信标测距定位方法，其具体的实现步骤包括：
(1)设定声学测距***的测距仪的测距周期，根据水下目标在大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立虚拟发射信标；
(2)利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立虚拟接收信标；
(3)根据虚拟发射信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立观测方程；
(4)对基于虚拟收发信标的观测方程组成的定位方程组求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置。
对于一种基于虚拟收发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)对声学测距***进行初始化设置，校准时钟，设定声学测距***的测距仪的测距周期T；
(1.2)将声学测距***的测距仪安装在水下目标平台上，实体信标布放于水底，标定实体信标在大地坐标系下的坐标AT；
(1.3)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，得到水下目标的运动速度Bvb，根据载体坐标系与大地坐标系的转换关系，将Bvb转化为水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb；
(1.4)根据实体信标的坐标AT及水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb建立虚拟发射目标Xvtks。
对于一种基于虚拟收发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)设定声学测定信标的转发时延为ttat，且转发时延ttat在每个测距周期的大小相等；
(2.2)在第k个测距周期Tk的起始时刻，声学测距***的测距仪发射测距信号，水下目标记录自身发射测距信号的时刻为tsendk，水下目标接收到声学测定信标回复信号的时刻为treceptk；
(2.3)根据声学测距***及水下目标记录的各时刻信息，得到水下目标从发射点至接收点经过的时间为treceptk-tsendk＝tsk+ttat+trk，声学测距***测得的双程传播时延为tsk+trk＝treceptk-tsendk-ttat，其中tsk+trk为第k个周期内声学测距***测得的双程传播时延；
(2.4)根据声学测距***测得的第k个周期内双程传播时延tsk+trk及水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb建立虚拟接收信标Xvtkr。
对于一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(3)的具体实现方式为：构建完成虚拟发射信标Xvtks和虚拟接收信标Xvtkr后，虚拟收发信标对应的双程传播时延为tsk+trk，根据虚拟收发信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立观测方程。
对于一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(4)的具体实现方式为：将定位方程组的各个基于虚拟收发信标的观测方程进行线性化处理，消除待求水下目标位置的二次项，对线性化处理后的定位方程组求解，通过最小二乘法解算得到水下目标在大地坐标系中的位置。
本发明的有益效果在于：
本发明公开的一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法利用水下目标声学测距周期，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了虚拟发射信标；利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立了虚拟接收信标；根据虚拟发射信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立了观测方程；通过对基于虚拟收发信标的观测方程组成的定位方程组进行求解，解算得到了水下目标在大地坐标系中的位置。
本发明公开的这种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法通过构建虚拟接收信标和虚拟发射信标，解决了水下目标声学测距信号发射与接收非共点的问题，提高了单信标测距定位***对水下运动目标的定位精度。
附图说明
图1为本发明中虚拟收发信标构建原理示意图；
图2为本发明中水下目标航行轨迹；
图3为本发明中方法与常规方法的定位误差对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
结合图1，为本发明的基于虚拟收发信标的目标定位原理。基于单信标测距的定位***工作时，声学测距***的测距仪在每个测距周期发射测距信号，测距周期为T。由于水下目标运动的影响，声学测距***发射信号的位置Xsk和接收信号的位置Xrk发生了改变。因此，目标发射点Xsk至信标Xt对应的单程传播时间tsk和目标接收点Xrk至信标Xt对应的单程传播时间trk是不同的。在第k个测距周期，水下目标发射测距信号的时刻为tsendk，水下目标接收到信标回复信号的时刻为treceptk，则水下目标从发射点Xsk至接收点Xrk经过的时间为treceptk-tsendk＝tsk+ttat+trk，所以声学测距***测得的双程传播时延为tsk+trk＝treceptk-tsendk-ttat。其中，转发时延ttat预先设定且在每个测距周期大小相等。以双程传播时延的一半作为单程传播时延的近似量不再准确，为了补偿目标运动造成的单程传播时延近似误差，提高定位***对运动目标的定位精度，我们需要考虑水下目标测距信号发射与接收非共点的情况。
基于虚拟收发信标的目标定位的第1个关键步骤：直接利用声学测距***测得的双程传播时延，不再以双程传播时延的一半作为单程传播时延的近似量。
为了能够直接利用双程传播时延，对于第1个测距周期，将目标从发射点Xs1至接收点Xr1的运动参数应用到实际布放的单只信标Xt上，构建虚拟信标Xvt。发射信号单程传播时延ts1对应的虚拟信标为Xvt1s'，接收信号单程传播时延tr1对应的虚拟信标为Xvt1r'，这两个虚拟信标与实际布放的单只信标Xt的相对位置关系满足：
其中，Lvb为大地坐标系下水下目标的速度，Bvb为目标坐标系下水下目标的速度，为载体坐标系{B}变换到大地坐标系{L}的旋转矩阵，c为声速，Δt为目标运动参数测量的采样间隔。
对于第1个测距周期，声学测距收发非共点的问题转化为目标发射点至不同信标测距的问题，这样便能够直接利用声学测距***测得的双程传播时延。目标发射点位置Xs1、虚拟信标位置Xvt1s'、Xvt1r'和双程传播时延ts1+tr1满足如下的关系式：
||Xs1-Xt||+||Xr1-Xt||＝||Xs1-Xvt1s'||+||Xs1-Xvt1r'||＝c·(ts1+tr1) (2)
同理，得到第2个测距周期的目标位置与虚拟信标满足如下关系式：
基于虚拟收发信标的目标定位的第2个关键步骤：经过第1个关键步骤后，声学测距收发非共点的问题转化为目标发射点至不同信标测距的问题。下面将把不同目标发射点对应的测距信息转移到同一个目标发射点，从而构建测距信息方程组解算出水下目标的具***置。
对于第1个测距周期，将目标从发射点Xs1至发射点Xs2的运动参数应用到发射点Xs1的虚拟信标Xvt1s'和Xvt1r'上，构建发射信号单程传播时延ts1对应的虚拟信标Xvt1s和接收信号单程传播时延tr1对应的虚拟信标Xvt1r，则虚拟信标Xvt1s和Xvt1r与虚拟信标Xvt1s'和Xvt1r'的相对位置关系满足：
联立公式(1)和公式(4)，进一步得到虚拟信标Xvt1s和Xvt1r与实际布放的单只信标Xt的相对位置关系满足：
通过构建上式的虚拟信标，将第1个测距周期的测距信息转移到了第2个测距周期，第1个测距周期的双程传播时延ts1+tr1、虚拟信标Xvt1s和Xvt1r与第2个测距周期的目标发射点位置Xs2满足如下的关系式：
综上，对于第k个测距周期，当构建的虚拟信标个数为n时，需要利用第k-(n-1)～k个测距周期的目标运动参数。假设第k个测距周期对应的虚拟信标为Xvt(n)s和Xvt(n)r，第k-(n-1)个测距周期对应的虚拟信标为Xvt(1)s和Xvt(1)r，则第k-(n-m)个测距周期对应的虚拟信标为Xvt(m)s和Xvt(m)r。所以，第k个测距周期对应的所有2n个虚拟信标与实际布放的单只信标Xt的相对位置关系满足：
构建完成虚拟信标后，下面结合虚拟信标对应的双程传播时延组成测距方程，其中虚拟信标Xvt(m)s和Xvt(m)r对应的双程传播时延为ts(k-(n-m))+tr(k-(n-m))。则第k个测距周期对应的n个测距方程满足如下的关系式：
至此，便可根据第k个测距周期对应的n个测距方程构建测距方程组，从而利用最小二乘法解算出第k个测距周期中目标发射点Xsk的具***置。计算得到目标发射点Xsk的位置后，根据目标的运动状态能计算第k个测距周期任意时刻的目标位置。
下面对本发明提供的基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法进行仿真分析。
结合图2为水下目标的梳形航行轨迹图，声信标布放在海底的位置为(0,0,4000)m，信标的转发时延为20ms；水下目标在恒定深度4100m作前向速度1m/s的匀速直线运动；水下目标的初始位置为(-1000,-300)m，测距周期20s。
结合图3，根据本发明的方法与常规方法定位误差对比，给测得的双程传播时延添加标准差0.1ms的测时误差。基于单程测距近似的定位方法，以双程传播时延的一半作为单程传播时延的量测量，定位误差均值1.535m，标准差1.855m，其中水下目标航行轨迹拐弯处定位误差明显增大；本发明提供的基于虚拟收发信标的定位误差均值0.299m，标准差0.378m，定位误差明显小于时延近似造成的定位误差，其中水下目标航行轨迹拐弯处定位误差更加改善明显。
需要说明的是，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)

1.一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，其特征在于，具体的实现步骤包括：
(1)设定声学测距***的测距仪的测距周期，根据水下目标在大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立虚拟发射信标；
(2)利用水下目标声学测距双程传播时延，根据水下目标大地坐标系中的运动参数和虚拟发射信标建立虚拟接收信标；
(3)根据虚拟发射信标位置、虚拟接收信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立观测方程；
(4)对基于虚拟收发信标的观测方程组成的定位方程组求解，解算得到水下运动目标在大地坐标系中的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，其特征在于，所述的步骤(1)的具体实现步骤包括：
(1.1)对声学测距***进行初始化设置，校准时钟，设定声学测距***的测距仪的测距周期T；
(1.2)将声学测距***的测距仪安装在水下目标平台上，实体信标布放于水底，标定实体信标在大地坐标系下的坐标AT；
(1.3)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，得到水下目标的运动速度Bvb，根据载体坐标系与大地坐标系的转换关系，将Bvb转化为水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb；
(1.4)根据实体信标的坐标AT及水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb建立虚拟发射目标Xvtks。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，其特征在于，所述的步骤(2)的具体实现步骤包括：
(2.1)设定声学测定信标的转发时延为ttat，且转发时延ttat在每个测距周期的大小相等；
(2.2)在第k个测距周期Tk的起始时刻，声学测距***的测距仪发射测距信号，水下目标记录自身发射测距信号的时刻为tsendk，水下目标接收到声学测定信标回复信号的时刻为treceptk；
(2.3)根据声学测距***及水下目标记录的各时刻信息，得到水下目标从发射点至接收点经过的时间为treceptk-tsendk＝tsk+ttat+trk，声学测距***测得的双程传播时延为tsk+trk＝treceptk-tsendk-ttat，其中tsk+trk为第k个周期内声学测距***测得的双程传播时延；
(2.4)根据声学测距***测得的第k个周期内双程传播时延tsk+trk及水下目标在大地坐标系下的运动速度Lvb建立虚拟接收信标Xvtkr。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，其特征在于，所述的步骤(3)的具体实现方式为：构建完成虚拟发射信标Xvtks和虚拟接收信标Xvtkr后，虚拟收发信标对应的双程传播时延为tsk+trk，根据虚拟收发信标位置和单信标测距***测得的双程传播时延建立观测方程。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟收发信标的单信标测距定位方法，其特征在于，所述的步骤(4)的具体实现方式为：将定位方程组的各个基于虚拟收发信标的观测方程进行线性化处理，消除待求水下目标位置的二次项，对线性化处理后的定位方程组求解，通过最小二乘法解算得到水下目标在大地坐标系中的位置。
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