CN101441266A - 水下多应答器组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下多应答器组合导航方法。对布放在海底的应答器进行绝对位置校准；利用潜器与各应答器之间的距离信息根据长基线原理进行对潜器进行粗定位，进而选取定位导航用的应答器；对所选择的应答器，计算其组合定位导航误差的空间分布特性，确定潜器在该位置时组合定位导航的权值；根据长基线定位结果和超短基线定位结果，利用选定的权值计算组合定位导航的结果。本发明提出一种将多应答器的长基线定位导航和单海底应答器的超短基线定位导航方式相结合，得到一种基于多应答器的水下潜器组合声学定位导航方法。解决了长基线定位导航在某些位置有定位盲区的问题。

Description

水下多应答器组合导航方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种水声定位导航方法，具体地说主要涉及海底应答器定位导航方法。

(二)背景技术

传统观念认为，长基线定位导航的精度高，作用距离远。事实上，长基线定位导航精度与应答器布放位置以及潜器和应答器阵之间的相对位置有关系，特别在某个应答器附近时定位导航精度下降。换言之，长基线定位导航在某些位置有定位盲区。当潜器上安装声学基阵(如超短基线)具有定位能力时，仅利用单个海底应答器也能够对水下潜器定位导航。虽然单海底应答器定位导航的作用距离不如长基线系统，但是在近距离处定位导航精度高，能够弥补长基线定位导航的不足。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既可发挥长基线定位导航精度高，作用距离远的优点，又能发挥超短基线近距离处定位精度高的优点的水下多应答器组合导航方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对布放在海底的应答器进行绝对位置校准；

(2)利用潜器与各应答器之间的距离信息根据长基线原理进行对潜器进行粗定位，进而选取定位导航用的应答器；

(3)对所选择的应答器，计算其组合定位导航误差的空间分布特性，确定潜器在该位置时组合定位导航的权值；

(4)根据长基线定位结果和超短基线定位结果，利用选定的权值计算组合定位导航的结果。

本发明还可以包括：

1、所述的对布放在海底的应答器进行绝对位置校准的方法是利用水声换能器在水面多点与海底应答器进行问答，同时利用GPS获得测点的位置信息，利用长基线定位方法解算出应答器的绝对位置。

2、所述的选取定位导航用的应答器，是根据长基线定位和超短基线定位都能够获得较高定位精度的应答器，去除一些冗余的、无效的应答器。首先，计算出各应答器与潜器之间的距离相对方位。然后根据海深去除距离较大的应答器，保留距离较小的应答器。最后在相对潜器的方位较为接近的应答器中，仅保留其中一个即可。

3、所述的计算其组合定位导航误差的空间分布特性，确定潜器在该位置时组合定位导航的权值，包括长基线定位导航和超短基线定位导航的空间误差分布特性，其中长基线地定位导航误差的空间分布特性与应答器构成的几何阵型，时延测量精度，应答器位置精度等因素有关；而超短基线则与时延测量精度、方位测量精度、应答器位置校准精度以及安装误差的校准精度有关。首先根据水深和应答器阵形计算出长基线定位导航的空间误差分布特性；然后计算出超短基线定位误差的空间分布特性。

4、所述的利用选定的权值计算组合定位导航的结果的方法为，首先计算各种方法的独立定位结果，然后根据步骤3所述组合定位导航误差的空间分布特性计算出相应的权值，最后将各种结果加权求和即得组合定位导航结果。

为实现本发明的目的，需要对海底应答器进行精确的绝对位置校准(步骤1)，这是定位导航的基本前提。通常的做法是利用水声换能器在水面多点与海底应答器进行问答，同时利用GPS获得测点的位置信息，利用相应的定位解算方法得到应答器的绝对位置。

为实现本发明的目的，需要对潜器进行粗定位(步骤2)，选取应答器。选取的原则是根据长基线定位和超短基线定位都能够获得较高定位精度的应答器，去除一些冗余的、无效的应答器。

为实现本发明的目的，需要计算组合定位导航所用海底应答器构成长基线时定位导航误差的空间分布特性，进而确定权值(步骤3)。包括长基线定位导航和超短基线定位导航的空间误差分布特性，其中长基线地定位导航误差的空间分布特性与应答器构成的几何阵型，时延测量精度，应答器位置精度等因素有关；而超短基线则与时延测量精度、方位测量精度、应答器位置校准精度以及安装误差的校准精度有关。

为实现本发明的目的，需要根据步骤3中所计算的空间分布特性和粗定位结果选取权值，进行定位。

本发明的特点是在海底布放多只应答器，对安装有超短基线的潜器进行定位导航。潜器上的超短基线与海底应答器进行问答，对各应答器进行测距测向，根据单独的长基线方法和超短基线方法选取相应的应答器，并计算出相应的权值，实现对水下潜器的高精度定位导航。该方法仅需要在原有的多海底应答器导航体制的基础上，在水下潜器上安装超短基线即可，不会增加太大的硬件负担。此外，该方法既发扬了长基线定位导航精度高，作用距离远的优点，又发扬了超短基线近距离处定位精度高的优点，而这些又是彼此的不足。

(四)附图说明

图1是海底应答器定位导航的几何配置示意图；

图2是定位精度为斜距0.5％的超短基线的单海底应答器定位导航的空间误差分布示意图；

图3是三海底应答器构成长基线定位导航的空间误差分布示意图；

图4是三海底应答器组合定位导航空间误差分布示意图；

图5是五种定位导航误差的对比情况。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1给出了三海底应答器组合定位导航(L/USBL)的几何配置示意图。应答器1、2、3锚定于海底，超短基线4安装于潜器上。潜器可以有多种定位导航方式，①利用超短基线与各应答器问答分别对潜器定位导航，也可利用②与各应答器之间的距离信息对潜器进行长基线方式定位导航，还可以③将长基线导航和超短基线导航结合起来采取组合导航方式。

假设长基线与超短基线的定位导航结果都是独立的，那么组合声学导航结果可用下式表示：

${\hat{X}}_S=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\hat{X}}_i---\left(1\right)$

式中，是指L/USBL组合声学导航结果；ω_i为权系数，

表示第i个独立的长基线和超短基线导航结果；N指导航方法的种数，一般与应答器数目及其与潜器之间的相对几何位置关系有关。例如，对于三海底应答器，如果长基线和超短基线的导航结果都有效，那么可取N＝4。

组合导航的关键在于权系数ω_i的选取，它直接决定了最终的定位导航性能。权系数的选取方法如下：

根据最小均方误差准则，权系数ω_i可以根据下式确定：

$\min {\mathrm{\σ}}_{L/\mathrm{USBL}}^2=\min E\left\{{({\hat{X}}_S-X_S)}^2\right\}=\min \left\{{(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i{\hat{X}}_i-X_S)}^2\right\}---\left(2\right)$

式中

为L/USBL组合导航结果的均方误差。由于各种导航结果相互独立，因而有：

$\min \left\{{\mathrm{\σ}}_{L/\mathrm{USBL}}^2\right\}=\min \left\{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i^2{\mathrm{\σ}}_{X_i}^2\right\}---\left(3\right)$

根据无偏性要求，有：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i=1---\left(4\right)$

这是一个在式(4)约束下的最优化问题，容易用Lagrange乘子法求解。可以构造代价函数：

$f({\mathrm{\ω}}_1,{\mathrm{\ω}}_2,\·\·\·,{\mathrm{\ω}}_N;\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i^2{\mathrm{\σ}}_{X_i}^2+\mathrm{\λ}(1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_i)---\left(5\right)$

经过简单的推导可求得：

${\mathrm{\ω}}_i=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{X_i}^2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{X_i}^2}}---\left(6\right)$

此时组合定位导航精度最高。式(6)给出了组合导航的权系数。

长基线的优势在于作用距离远，定位精度高，水深对水平定位精度影响小。但其深度精度较差，在长基线阵型外部定位精度要比内部差，且在靠近某一应答器的正上方时，定位精度不稳定。超短基线的优势在于仅需要与单只海底应答器问答就可实现定位导航，数据更新率高，实时性好，并且超短基线的绝对位置定位精度与距离有关，在靠近某应答器时，利用超短基线的定位导航结果甚至可能优于长基线导航结果。而组合声学导航方法则将两者的优势都结合起来，相互弥补对方的不足，使最终的定位导航精度总体得到提高，并且结果无偏。

下面对所提方案进行计算机仿真。三个海底应答器以等边三角形布放，应答器之间基线长度为2000m，海深1000m，潜器工作深度为200m。超短基线的定位精度是斜距的0.5％。图2-图5中ε表示定位的误差。图2给出了潜器工作深度下的单海底应答器定位精度的空间分布特性。可以看出，随着潜器与海底应答器相对距离的增大，导航精度逐渐降低。图3给出了三应答器构成长基线对潜器在工作深度平面内的定位精度的空间分布特性。可以看出在三应答器构成的三角形内部定位导航精度较高，而在三角形外部定位导航精度较差，特别地，当潜器靠近其中某个应答器的正上方时，定位导航性能急剧下降。图4给出了L/USBL组合定位导航精度的空间分布特性。可以看出相对于单应答器和长基线导航，其精度都有提高，并且当潜器位于应答器正上方时，定位导航也能得到较高的精度。图5给出的是当潜器位于三应答器的水面投影构成的三角形其中一边的中垂线上时三种方法(长基线、超短基线、以及组合定位导航)的五条定位精度曲线的比较。从图中可以看出，相对于其他方法，组合导航方法可以获得较高的导航精度。

Claims (5)

1、一种水下多应答器组合导航方法，其特征是：

(1)对布放在海底的应答器进行绝对位置校准；

(2)利用潜器与各应答器之间的距离信息根据长基线原理进行对潜器进行粗定位，进而选取定位导航用的应答器；

(3)对所选择的应答器，计算其组合定位导航误差的空间分布特性，确定潜器在该位置时组合定位导航的权值；

(4)根据长基线定位结果和超短基线定位结果，利用选定的权值计算组合定位导航的结果。

2、根据权利要求1所述的水下多应答器组合导航方法，其特征是：所述的对布放在海底的应答器进行绝对位置校准的方法是利用水声换能器在水面多点与海底应答器进行问答，同时利用GPS获得测点的位置信息，利用长基线定位方法解算出应答器的绝对位置。

3、根据权利要求2所述的水下多应答器组合导航方法，其特征是：所述的选取定位导航用的应答器，是根据长基线定位和超短基线定位都能够获得较高定位精度的应答器，去除一些冗余的、无效的应答器；首先，计算出各应答器与潜器之间的距离相对方位，然后根据海深去除距离较大的应答器，保留距离较小的应答器，最后在相对潜器的方位较为接近的应答器中，仅保留其中一个即可。

4、根据权利要求3所述的水下多应答器组合导航方法，其特征是：所述的计算其组合定位导航误差的空间分布特性，确定潜器在该位置时组合定位导航的权值，包括长基线定位导航和超短基线定位导航的空间误差分布特性，其中长基线地定位导航误差的空间分布特性与应答器构成的几何阵型，时延测量精度，应答器位置精度等因素有关；而超短基线则与时延测量精度、方位测量精度、应答器位置校准精度以及安装误差的校准精度有关；首先根据水深和应答器阵形计算出长基线定位导航的空间误差分布特性；然后计算出超短基线定位误差的空间分布特性。

5、根据权利要求4所述的水下多应答器组合导航方法，其特征是：所述的利用选定的权值计算组合定位导航的结果的方法为首先计算各种方法的独立定位结果，然后根据步骤3所述组合定位导航误差的空间分布特性计算出相应的权值，最后将各种结果加权求和即得组合定位导航结果。

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