CN110082707A - 深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法。首先在DOA粗测定位误差情况下，得到目标所在区域；其次，针对不同环形路径半径，对区域内所有的点的精确定位HDOP求和并取平均；最后，比较得最小平均值所对应的半径即为最优半径。本发明相对于已有凭经验确定环形路径半径方法，有效提高了定位的精度，并有效减少航行轨迹长度，降低了能耗和定位时间，达到了高效率，高精度，低成本。
Description
技术领域
本发明属于水声定位领域，特别是涉及深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法。
背景技术
声信标高效率搜索全过程依次分为：信号搜索阶段、测向导引阶段及精确定位阶段三个过程。信号搜索阶段为第一过程，主要功能为实现大范围的信号探测与搜索，以接收到水下目标信号为目的，当确认接收到目标信号后，AUV(无缆水下机器人)继续沿搜索路径航行，直至目标角度为舷侧方向时，结束信号搜索阶段，进入测向导引阶段。测向导引阶段为第二过程，目的是实时估测目标方位与距离，并引导AUV逼近目标，在逼近过程中要始终保证目标在载体的视野范围内。精确定位阶段为第三过程，目的是精确测量目标位置。在精确定位阶段，AUV围绕目标绕行一周，并完成目标位置的精确估计。本发明即为此阶段提供一个精度最高的航行半径。
以往的方法都是凭经验规定一个航行环形路径的半径，精度不一定是最高精度，并可能带来高能耗，耗时长，成本高，效率低等缺点。
发明内容
本发明公开了深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，以解决现有的AUV在第三过程中精度较低、耗能高、耗时长、成本高、效率低的缺点。
本发明通过以下技术方案实现：深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，所述水声定位方法包括以下步骤：
S100在不同半径的圆上取上下左右四个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，得到不同半径对应的HDOP(Horizental Dilution ofPrecision-水平精度因子)分布；
S200判断是否遍历了所有半径，如是，则执行步骤S500；否则，返回步骤S100；
S300在声信标搜索过程的第二阶段中，在曲线的航行轨迹中取两个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，计算出目标点的粗侧定位HDOP分布，HDOP即为声信标随机分布的标准差，并有3σ原则；
S400数值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率为0.9973，即随机变量的取值几乎全部集中在(μ-3σ,μ+3σ)区间内，超出这个范围的可能性仅占不到0.3％，所以根据此原则，目标的分布空间为半径为3σ的圆，随后执行步骤S500；
S500计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布，确定最优化环形路径半径：根据步骤S200中计算得到的目标可能存在的区域，结合步骤S100得出的不同半径下TDOA(time difference of arrival-时延差)算法HDOP分布，计算此区域内HDOP总和并取平均；
S600比较不同半径所得到的平均值，最小平均值对应的半径即为所得到的最优半径。
进一步的，步骤S100中包括：计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布：
基于时延差信息的定位解算方程：
其中x，y为目标点的横纵坐标，xi,yi(i＝0,1,2,3)为四个定位解算点的横纵坐标，c为声速，Δti(i＝1,2,3)为两个解算点之间接收声信号的时延差，
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，偏微分矩阵：
协方差矩阵：
其中为时延差的误差标准差，为定位解算点定位的误差标准差，σc为声速误差的标准差，
得到不同半径对应的HDOP分布。
进一步的，步骤S400中包括：根据粗测定位结果及其HDOP分布确定目标可能范围：
基于角交汇的定位解算方程为：
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，
目标的分布空间为半径为3σ的圆。
进一步的，步骤S600中包括：确定的最优化环形路径半径，即：
本发明的有益效果在于：采用本发明所设计的半径确定方法可以为声信标搜探过程的第三阶段提供一个最优半径，以达到定位的最高精度。相对于已有定标方法，有效提高了定位精度，有理论基础和科学依据。
附图说明
图1为本发明的深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法的方法流程图；
图2为不同环形路径半径下的HDOP分布图，其中：
图2(a)为环形路径半径500m的HDOP分布图；
图2(b)为环形路径半径750m的HDOP分布图；
图3为不同粗测路径下的HDOP分布图，其中：
图3(a)为粗测路径1下的HDOP分布图；
图3(b)为粗测路径2下的HDOP分布图；
图4为不同环形路径半径下的平均定位精度图；
图5为精确定位HDOP分布图，其中：
图5(a)为环形路径半径在500m时的精确定位HDOP分布图；
图5(b)为环形路径半径在750m时的精确定位HDOP分布图；
图6为粗侧定位HDOP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。
参照图1所示，本发明提供了本发明通过以下技术方案实现：图1提供了深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法的一实施例，所述水声定位方法包括以下步骤：
S100在不同半径的圆上取上下左右四个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，得到不同半径对应的HDOP分布；
S200判断是否遍历了所有半径，如是，则执行步骤S500；否则，返回步骤S100；
S300在声信标搜索过程的第二阶段中，在曲线的航行轨迹中取两个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，计算出目标点的粗侧定位HDOP分布，HDOP即为声信标随机分布的标准差，并有3σ原则；
S400数值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率为0.9973，即随机变量的取值几乎全部集中在(μ-3σ,μ+3σ)区间内，超出这个范围的可能性仅占不到0.3％，所以根据此原则，目标的分布空间为半径为3σ的圆，随后执行步骤S500；
S500计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布，确定最优化环形路径半径：根据步骤S200中计算得到的目标可能存在的区域，结合步骤S100得出的不同半径下TDOA算法HDOP分布，计算此区域内HDOP总和并取平均；
S600比较不同半径所得到的平均值，最小平均值对应的半径即为所得到的最优半径。
在本部分优选实施例中，步骤S100中包括：计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布：
基于时延差信息的定位解算方程：
其中x，y为目标点的横纵坐标，xi,yi(i＝0,1,2,3)为四个定位解算点的横纵坐标，c为声速，Δti(i＝1,2,3)为两个解算点之间接收声信号的时延差，
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，偏微分矩阵：
协方差矩阵：
其中为时延差的误差标准差，为定位解算点定位的误差标准差，σc为声速误差的标准差，
得到不同半径对应的HDOP分布。
在本部分优选实施例中，步骤S400中包括：根据粗测定位结果及其HDOP分布确定目标可能范围：
基于角交汇的定位解算方程为：
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，
具体结果如图3所示，图中，黑色弧形所示为粗测路径，黑色星号所示为所选择的粗测超短基线交汇定位解算点。黑色圆圈所示为声信标的真实位置。粗测路径1下的定位点HDOP为9.2m，根据3σ原则确定的目标可能范围为半径27.6m圆形所围成的区域；粗测路径2下的定位点HDOP为16.0m，根据3σ原则确定的目标可能范围为半径48.0m圆形所围成的区域。
在本部分优选实施例中，步骤S600中包括：计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布，确定最优化环形路径半径：根据步骤二中计算得到的目标可能存在的区域，结合步骤一得出的不同半径下TDOA算法HDOP分布，计算此区域内HDOP总和并取平均，得到横轴为环路半径，纵轴为HDOP平均值的图像如图3所示。从而确定最优化环形路径半径，即：
可见，最优航路半径为710m。
实施算例：
我们模拟了一个仿真环境：
黑匣子深度3000米AUV深度2500米，声速误差1.5m/s，深度误差2米，时延测量误差0.3ms，惯导误差0.5％，超短基线测角误差1°
步骤一：计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布。不同环路半径下的HDOP分布(以500m和750m为例)如图5所示。图中，红色圆形所示为环形路径，红色星号所示为在环形路径上所选择的定位解算点。
步骤二：根据粗测定位结果及其HDOP分布确定目标可能范围，具体结果如图6所示，图中，红色弧形所示为粗测路径，红色星号所示为所选择的粗测超短基线交汇定位解算点。黑色圆圈所示为声信标的真实位置。粗测路径下的定位点HDOP为19.2m，根据3σ原则确定的目标可能范围为半径57.6m的圆形所围成的区域。
步骤三：在以假定目标点为圆心，半径为57.6m范围内，计算步骤一中各半径下HDOP的均值，得到横轴为环路半径，纵轴为HDOP平均值的图像如图4所示。由图可知，最优环形路径半径为580米。
Claims (4)
1.深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，其特征在于，所述水声定位方法包括以下步骤：
S100在不同半径的圆上取上下左右四个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，得到不同半径对应的HDOP分布；
S200判断是否遍历了所有半径，如是，则执行步骤S500；否则，返回步骤S100；
S300在声信标搜索过程的第二阶段中，在曲线的航行轨迹中取两个定位解算点，在存在时延误差、解算点定位误差、声速误差情况下，计算出目标点的粗侧定位HDOP分布，HDOP即为声信标随机分布的标准差，并有3σ原则；
S400数值分布在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率为0.9973，即随机变量的取值几乎全部集中在(μ-3σ,μ+3σ)区间内，超出这个范围的可能性仅占不到0.3％，所以根据此原则，目标的分布空间为半径为3σ的圆，随后执行步骤S500；
S500计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布，确定最优化环形路径半径：根据步骤S200中计算得到的目标可能存在的区域，结合步骤S100得出的不同半径下TDOA算法HDOP分布，计算此区域内HDOP总和并取平均；
S600比较不同半径所得到的平均值，最小平均值对应的半径即为所得到的最优半径。
2.根据权利要求1所述的深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，其特征在于，步骤S100中包括：计算不同环形路径半径下的精确定位HDOP分布：
基于时延差信息的定位解算方程：
其中x，y为目标点的横纵坐标，xi,yi(i＝0,1,2,3)为四个定位解算点的横纵坐标，c为声速，Δti(i＝1,2,3)为两个解算点之间接收声信号的时延差，
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，偏微分矩阵：
协方差矩阵：
其中为时延差的误差标准差，为定位解算点定位的误差标准差，σc为声速误差的标准差，
得到不同半径对应的HDOP分布。
3.根据权利要求1所述的深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，其特征在于，步骤S400中包括：根据粗测定位结果及其HDOP分布确定目标可能范围：
基于角交汇的定位解算方程为：
HDOP的求解如下：
Dx的模长即为HDOP，
其中，
目标的分布空间为半径为3σ的圆。
4.根据权利要求1所述的深远海声信标高精度定位的环形路径半径优化方法，其特征在于，步骤S600中包括：确定的最优化环形路径半径，即：
式中：E表示期望。
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