CN109738902B - 一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，该方法利用目标接收到海底多个分布式潜标发送的同步声信标信号的时延信息，再结合各潜标的位置信息，解算获得目标的位置信息；相对于传统自导航方法，本发明所设计的方法引入了目标运动速度参量，消除了由目标运动速度引起的模型误差，受目标运动速度影响小；引入了目标位置自主保护机制，能够较合理地给出更精确的结果，有效提高了水下高速运动目标的自导航精度；采用差分进化算法结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强。

Description

一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航 方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别是涉及一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。

背景技术

随着人们对海洋的开发与利用，发展水下目标的自主导航能力成为发达国家研究的前沿问题。现有的水下目标导航方法有很多，如卫星导航、惯性导航、地球物理导航、组合导航等。其中卫星导航受外界环境条件限制小，并且速度快，导航精度高，可达米或亚米量级。它可在近程、中程、远程，甚至全球范围内导航，但易受外界环境或人为干扰的影响和发射台的制约，并且因需要上浮到海面，使用受限，隐蔽性差。惯性导航系统在水下目标的导航过程中使用最为普遍，通常作为导航系统的核心部件，但存在时间累积误差，且其增长速率与海流、航行器速度、测量传感器精度等因素密切相关。地球物理导航通过实时匹配测得的地球物理参数与地球物理特征的先验分布图实现导航功能，其导航误差不随时间的增加而积累，无需浮出水面，但该技术还有很多应用问题没有解决。组合导航系统通过适当的方式组合两种或两种以上不同的导航设备，利用其性能上的互补性获得更好的导航性能，通常以微小型捷联惯性导航系统为核心，并配备其他导航系统或传感器作为辅助校正和重调手段。

而迄今为止，在水下传播信息最有效的载体就是声波。近年，声学导航技术在水下目标导航中占据了重要的地位，主要包括长基线系统(Long Base Line,LBL)、短基线系统(Short Base Line,SBL)、超短基线系统(Ultra Short Base Line,USBL)三种。其中长基线声学导航系统因其定位精度高，不要求很高的安装精度，无需大量的校准工作等优点得到了广泛应用。长基线系统常采用传统球交汇方法解算，它是对椭球交汇模型的一种简化，即：水下目标运动速度很小时，忽略声信号传播过程中目标的运动并认为水下目标发射询问信号和接收应答信号均在同一位置，然而当目标运动速度较大时，这一近似处理会引入很大误差，同时该系统的实际应用中会伴随有阵位测量误差、时延测量误差、声速测量误差等，使得导航准确率变低，导航误差变大，整体性能下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。本发明所述方法采用同步信标方式，具有精度高，受目标运动速度影响小，计算量小，适于实时实现等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，具体包括以下步骤：

步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，c为声速，t_i为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；

步骤二、采用球交汇方法，对模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，得到的粗测结果作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定区域作为优化算法的进化范围；

步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下

其中，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度；

步骤四、构建声学导航解算目标函数，如下：

其中，

R_i＝ct_i

式中，R_i为根据时延计算的目标与潜标之间的距离信息，r_i为目标与各潜标间的真实距离，Δr＝R_i-r_i；

步骤五、根据步骤二中的精确模型初始条件及进化范围，采用差分进化算法对解算目标函数进行求解，获得目标位置精测结果；

步骤六、采用目标位置解算值自主保护机制，设立保护门限，将目标位置精测结果与粗测结果进行对比，如二者的差值小于保护门限，则将精测结果作为最终目标位置解算值，若二者的差值大于或等于保护门限，则将粗测结果作为最终目标位置解算值。

进一步地，将粗测结果用矩阵X＝[x_s y_s z_s]^T表示，则粗测结果公式如下：

X＝A^-1B

B＝[d₂ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₂ ² d₃ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₃ ² d₄ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₄ ²]^T

d_i ²＝x_i ²+y_i ²+z_i ²

r_i＝ct_i i＝1,2,3,4

其中，(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)分别为1#、2#、3#、4#潜标位置信息。

进一步地，所述步骤三具体为：

由目标位置及运动速度信息与潜标位置信息确定的真实欧式距离表示如下：

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，i为潜标编号，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度，如下式所示：

v_x＝vcosθ

v_y＝vsinθ

式中，v表示目标运动速度；θ表示目标运动方向；

而由利用目标测得时延信息计算得到的目标与潜标之间的距离信息为R_i，则R_i＝ct_i，令r_i＝R_i，则构建精确的自主声学导航模型如下式所示：

进一步地，所述步骤六具体为：

过程如下式所示：

|X_DE-X_O|≥threshold

|Y_DE-Y_O|≥threshold

其中X_DE,Y_DE分别是差分进化算法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置精测结果；X_O,Y_O分别为球交汇方法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置粗测结果；threshold为保护门限；当两式有一个成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加偏离目标真实位置，此时将粗测结果认为是目标位置；反之，当两式均不成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加接近目标真实位置，此时把差分进化算法解算结果认为是目标位置，依据此自主保护机制得到最终目标位置。

本发明针对传统水下目标自主声学导航方法近似模型误差大、对水下高速目标导航精度低等问题，提出了一种新的水下高速目标高精度自主声学导航方法。该方法相对于传统方法的优势主要体现在以下几点：一是构建了自主声学导航精确模型，引入了目标运动速度参量，消除了目标运动速度引起的模型误差；二是利用传统方法解算结果作为精确模型的初始条件，并计算进化范围，可很大程度上缩短搜索过程，减小计算量，并降低精确解算结果陷入局部最优区的风险；三是采用目标位置解算值自主保护机制，利用保护门限进行判决，避免采用差分进化算法解算带来的目标位置测量野值。

附图说明

图1为本发明基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法的流程图；

图2目标运动态势图；

图3传统方法粗测结果及误差图；

图4差分进化算法精测结果及误差图；

图5本方法最终解算结果及误差图；

图6传统方法，差分进化算法，本方法导航区域误差分布图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，本发明提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，该方法利用目标接收到海底多个分布式潜标发送的同步声信标信号的时延信息，再结合各潜标的位置信息，解算获得目标的位置信息；具体包括以下步骤：

步骤一、对于水下高速运动目标，忽略其运动速度，利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，c为声速，t_i为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；

步骤二、采用球交汇方法，对自主声学导航近似模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，将粗测结果用矩阵X＝[x_s y_s z_s]^T表示，则粗测结果公式如下：

X＝A^-1B

B＝[d₂ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₂ ² d₃ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₃ ² d₄ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₄ ²]^T

d_i ²＝x_i ²+y_i ²+z_i ²

r_i＝ct_i i＝1,2,3,4

其中，(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)分别为1#、2#、3#、4#潜标位置信息；得到的粗测结果(x_s,y_s,z_s)作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定一定区域作为优化算法的进化范围。

步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下

其中，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度；

所述步骤三具体为：

由目标位置及运动速度信息与潜标位置信息确定的真实欧式距离表示如下：

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，i为潜标编号，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度，如下式所示：

v_x＝vcosθ

v_y＝vsinθ

式中，v表示目标运动速度；θ表示目标运动方向；

而由利用目标测得时延信息计算得到的目标与潜标之间的距离信息为R_i，则R_i＝ct_i，令r_i＝R_i，则构建精确的自主声学导航模型如下式所示：

步骤四、构建声学导航解算目标函数，首先得到由根据时延计算的距离信息R_i和目标与各潜标间的真实距离r_i之差Δr，根据最小化均方误差的思想，构造目标函数如下：

其中，

R_i＝ct_i

式中，R_i为根据时延计算的目标与潜标之间的距离信息，r_i为目标与各潜标间的真实距离，Δr＝R_i-r_i；

当目标函数f取得最小值时，则得到了目标位置的最优值。

步骤五、根据步骤二中的精确模型初始条件及进化范围，采用差分进化算法对解算目标函数进行求解，获得目标位置精测结果；

初始迭代位置的选取对优化算法的性能至关重要，一个好的初始条件能够减少优化算法的迭代次数并一定程度上规避陷入局部最优值的风险。传统的球交汇方法是忽略目标运动速度时的一种近似求解方法，对于水下快速目标，该方法会引入很大的解算误差，但是若用其解算的结果作为优化算法的初始值，则可以加快优化算法的搜索进程，减少迭代次数，同时，也降低了陷入局部极小值的可能性。由于差分进化算法具有结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强等特点，所以选择其作为解算方法。由步骤二得到的粗测结果(x_s,y_s,z_s)作为差分进化算法的初始条件，同时以其为几何中心划定一定区域作为优化算法的进化范围，约束解算过程的搜索进程。

步骤六、采用目标位置解算值自主保护机制，设立保护门限，将目标位置精测结果与粗测结果进行对比，如二者的差值小于保护门限，则将精测结果作为最终目标位置解算值，若二者的差值大于或等于保护门限，则将粗测结果作为最终目标位置解算值。

所述步骤六具体为：

过程如下式所示：

|X_DE-X_O|≥threshold

|Y_DE-Y_O|≥threshold

其中X_DE,Y_DE分别是差分进化算法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置精测结果；X_O,Y_O分别为球交汇方法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置粗测结果；threshold为保护门限；当两式有一个成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加偏离目标真实位置，此时将粗测结果认为是目标位置；反之，当两式均不成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加接近目标真实位置，此时把差分进化算法解算结果认为是目标位置，依据此自主保护机制得到最终目标位置。

实施算例：

采用仿真数据对本发明所设计的基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法进行验证，并对过程结果进行说明。

首先给出各参数如下：潜标数为4，各潜标位置坐标如表1所示。同步周期T＝4s，各潜标应答延时为零。目标在海底潜标阵中，沿30°航向角以10m/s的航速匀速直线运动，目标的深度恒定为60m。

表1潜标位置参数

目标运动态势如图2所示。

传统方法解算的粗测结果如图3所示，差分进化算法解算的精测结果如图4所示，本发明方法给出的最终结果如图5所示，对比可知，传统方法的解算结果在x和y方向的目标自导航误差都达到几十米的量级，自导航误差大约为30米，差分进化算法给出的精测结果在大部分位置优于传统方法，但因算法本身限制，局部陷入了极小值，没有搜索到最优位置。而本发明方法给出了更优的导航结果，说明本方法具有可行性，并且可以大大提高导航精度。

下面给出在整个导航区域内，目标导航误差分布，传统方法粗测结果如图6(a)所示，差分进化算法解算的精测结果如图6(b)所示，本发明方法解算最终结果如图6(c)所示，对比可知，从整个导航区域看，传统方法粗测结果误差量级在几十米，而精测结果在大部分区域误差接近为0，但因差分进化算法本身的限制，在局部区域早熟，未搜索到最优值，其误差比粗测结果还差，图6(c)给出本方法结果，可知在绝大部分区域保持着导航误差为0，对于野值点也有了很好的抑制效果。

仿真数据处理结果说明本发明所设计的方法可以显著提高水下高速目标的自导航精度，并更具有稳健性。

本发明针对传统水下目标自主声学导航方法近似模型误差大、对水下高速目标导航精度低等问题，提出了一种新的水下高速目标高精度自主声学导航方法。首先，由获取到的时延信息构建声学自导航近似模型，并采用传统方法解算获得目标位置粗测结果；其次，利用目标与水下潜标之间的时延信息及潜标位置信息构建自主声学导航精确模型，利用目标位置粗测结果作为优化算法的搜索初值并确定进化范围；最后，采用差分进化算法解算获得目标位置精测结果，利用目标位置自主保护机制，将二者差值与保护门限进行判决并获得最终结果。相对于传统自导航方法，本发明所设计的方法引入了目标运动速度参量，消除了由目标运动速度引起的模型误差，受目标运动速度影响小；引入了目标位置自主保护机制，能够较合理地给出更精确的结果，有效提高了水下高速运动目标的自导航精度；采用差分进化算法结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强等特点。

以上对本发明所提供的一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，c为声速，t_i为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；

步骤二、采用球交汇方法，对模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，得到的粗测结果作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定区域作为优化算法的进化范围；

步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下

其中，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度；

步骤四、构建声学导航解算目标函数，如下：

其中，

R_i＝ct_i

式中，R_i为根据时延计算的目标与潜标之间的距离信息，r_i为目标与各潜标间的真实距离，Δr＝R_i-r_i；

步骤五、根据步骤二中的精确模型初始条件及进化范围，采用差分进化算法对解算目标函数进行求解，获得目标位置精测结果；

步骤六、采用目标位置解算值自主保护机制，设立保护门限，将目标位置精测结果与粗测结果进行对比，如二者的差值小于保护门限，则将精测结果作为最终目标位置解算值，若二者的差值大于或等于保护门限，则将粗测结果作为最终目标位置解算值；

所述步骤三具体为：

由目标位置及运动速度信息与潜标位置信息确定的真实欧式距离表示如下：

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，i为潜标编号，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度，如下式所示：

v_x＝vcosθ

v_y＝vsinθ

式中，v表示目标运动速度；θ表示目标运动方向；

而由利用目标测得时延信息计算得到的目标与潜标之间的距离信息为R_i，则R_i＝ct_i，令r_i＝R_i，则构建精确的自主声学导航模型如下式所示：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将粗测结果用矩阵X＝[x_s y_s z_s]^T表示，则粗测结果公式如下：

X＝A^-1B

B＝[d₂ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₂ ² d₃ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₃ ² d₄ ²-d₁ ²+r₁ ²-r₄ ²]^T

d_i ²＝x_i ²+y_i ²+z_i ²

r_i＝ct_i i＝1,2,3,4

其中，(x₁,y₁,z₁)，(x₂,y₂,z₂)，(x₃,y₃,z₃)，(x₄,y₄,z₄)分别为1#、2#、3#、4#潜标位置信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤六具体为：

过程如下式所示：

|X_DE-X_O|≥threshold

|Y_DE-Y_O|≥threshold

其中X_DE,Y_DE分别是差分进化算法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置精测结果；X_O,Y_O分别为球交汇方法解算得到的目标位置的x,y坐标，即目标位置粗测结果；threshold为保护门限；当两式有一个成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加偏离目标真实位置，此时将粗测结果认为是目标位置；反之，当两式均不成立时，则说明该位置处差分进化算法解算结果较球交汇方法更加接近目标真实位置，此时把差分进化算法解算结果认为是目标位置，依据此自主保护机制得到最终目标位置。

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