CN110411480A - 一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；S2确定与实际环境相关的时延测量误差；S3确定与实际环境相关的声速测量误差；S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。本发明更符合水声物理实际环境特性，测时延误差选择更切合实际，误差预测结果不仅适用于静止平台，也适用于机动平台，且大大缩短计算时间，提高运算效率，具有简便易操作性。

Description

一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法

技术领域

本发明属于水下声学导航领域，特别是涉及一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法。

背景技术

声学导航技术是利用声波将水下机动平台从一个位置引领至另一个位置，并提供其运动的位置、姿态、速度等数据的技术或方法，航行体能够通过与预先布放的水下声信标(水下星站节点)进行信息交互完成位置解算从而实现导航功能。因声波在水下良好的传播能力，声学导航技术逐渐在海洋环境监控、海洋调查、海底地形地貌勘测、水下侦查与警戒、海底工程施工及维修等诸多领域被广泛应用。常用的声学导航模型有：圆交汇模型、双曲交汇模型、椭圆交汇模型。其中，圆交汇模型应用最广泛，该模型结构简单，计算方便，稳定性好。

传统的针对圆交汇模型的声学导航误差预测方法，采用固定的时延误差、阵位误差以及声速误差，但在复杂海洋环境中，声场对声信号产生影响，实际时延、阵位以及声速的测量误差与实际声速分布、平台与阵元之间的空间位置(或距离)、平台机动状态等因素强相关。同时，传统的误差分析方法多为蒙特卡洛法，通过大量的重复计算获得统计学规律，费时且繁琐，不利于实际操作。针对上述问题，本发明提出了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法。

发明内容

本发明公开了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，该方法通过声场建模、导航模型建模以及误差公式推导等手段，能够预测出水下机动平台工作在复杂海洋环境时的导航误差。

本发明通过以下技术方案实现：一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：

S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；

S2确定与实际环境相关的时延测量误差；

S3确定与实际环境相关的声速测量误差；

S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；

S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。

进一步的，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，声学导航模型公式如下：

其中，h²＝(z-z_i)²，由深度传感器测得，为先验已知。(x,y,z)为水下机动平台位置，(x_i,y_i,z_i)为声信标位置，i为声信标编号，t_i为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，

由该公式可知，导航误差的来源主要有：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。

进一步的，步骤S2中，具体的，时延测量误差σ_t计算公式如下：

其中，k为经验常数，取k＝0.05；SL表示声源级；NL表示噪声级；TL表示声传播损失，计算公式如下：

TL＝n·log R+α·R

其中，n表示声传播几何扩展系数，R表示声作用距离，α表示海水声吸收系数，其经验公式为:

f表示声信号频率，单位为Hz，公式(1)适用于f为5KHz以下的情况，公式(2)适用于f为5KHz以上的情况。

进一步的，步骤S3中，具体的，首先，利用Bellhop模型进行声场建模，并获得有效声速c_esv：

其中，z表示深度，r表示距原点的水平距离，(r_i,z_i)为声源位置，(r_si,z_si)为接收点位置，τ_i为声传播时延，i表示本征声线的个数，根据上式可得声速测量误差σ_c计算式：

σ_c＝c_esv-c。

进一步的，步骤S4中，具体的，阵位测量误差由两部分等效获得：声信标阵位校准误差(σ_xmi,σ_ymi)和由平台机动引起的误差(σ_xvi,σ_yvi)，

设机动平台以航行速度v，航向角θ在水下运动，阵位测量误差(σ_xi,σ_yi)可由下式获得：

进一步的，步骤S5中，具体的，利用偏微分矩阵法给出机动平台声学导航误差预测模型，用HDOP描述导航精度，具体公式如下：

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，该方法相对于传统的误差预测方法的优势主要在于：

(1)充分考虑了复杂海洋环境下声场变化的不均匀性，采用bellhop模型建立与平台-阵元距离相关的声速测量误差，相比于传统预测方法中采用恒定声速测量误差，更符合水声物理实际环境特性。

(2)结合实际水文条件，考虑平台与阵元相对距离对时延测量精度的影响，在不同距离处采用不同的时延测量误差。相比于传统预测方法中采用恒定的时延测量误差，本发明方法的测时延误差选择更切合实际。

(3)传统的阵位测量误差仅由阵位校准过程获得，且选用固定值，仅适用于静止平台。而本发明方法充分考虑平台机动对阵位测量的影响，阵位测量误差随平台位置变化而发生改变，误差预测结果不仅适用于静止平台，也适用于机动平台。

(4)采用偏微分矩阵法代替传统的蒙特卡洛法进行误差预测，可大大缩短计算时间，提高运算效率，具有简便易操作性。

附图说明

图1为本发明的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法的方法流程图；

图2为某海域水文条件图；

图3为时延测量误差图；

图4为声速测量误差图；

图5为阵位测量误差图；

图6为水下机动平台声学导航误差预测结果图。

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，本发明通过以下技术方案实现：一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，包括以下步骤：

S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；

S2确定与实际环境相关的时延测量误差；

S3确定与实际环境相关的声速测量误差；

S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；

S5推导出机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。

在本部分优选实施例中，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，给出声学导航模型公式如下：

其中，h²＝(z-z_i)²，由深度传感器测得，为先验已知。(x,y,z)为水下机动平台位置，(x_i,y_i,z_i)为声信标位置，i为声信标编号，t_i为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，

由该公式可知，导航误差的来源主要有：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。

在本部分优选实施例中，步骤S2中，具体的，在实际情况中，随着机动平台与声信标之间距离发生改变，时延测量信号的信噪比随之改变，从而影响时延测量精度，因此时延测量误差σ_t不是一个定值。由于克拉美罗界(CRLB)是理论上可达到的最高估计精度，则依此给出时延测量均方误差σ_t ²的下界为：

其中，T₁为信号持续时间，f_L为信号的频率下限，f_H为信号的频率上限。

但实际测量中无法达到CRLB，因此对上式进行简化，可确定时延测量误差σ_t计算公式如下：

其中，k为经验常数，取k＝0.05；SL表示声源级，一般选取195dB；NL表示噪声级，一般三级海况下为63dB；TL表示声传播损失，计算公式如下：

TL＝n·log R+α·R

其中，n表示声传播几何扩展系数，R表示声作用距离，α表示海水声吸收系数，其经验公式为:

f表示声信号频率，单位为Hz，公式(1)适用于f为5KHz以下的情况，公式(2)适用于f为5KHz以上的情况。

在本部分优选实施例中，步骤S3中，具体的，Bellhop模型是射线理论模型中的一种，通过高斯波束跟踪方法计算水平非均匀环境中的声场。由射线声学理论，声波传播可用声线来表征。从声源至接收点间有多条本征声线，因初始掠射角不同及声场分布的不均匀性，不同声线传播时延不同，因此对应的等效声速不同。一般选取本征声线中声速最大的等效声速作为直达声的有效声速。因此，首先，利用Bellhop模型进行声场建模，并获得有效声速c_esv：

其中，z表示深度，r表示距原点的水平距离，(r_i,z_i)为声源位置，(r_si,z_si)为接收点位置，τ_i为声传播时延，i表示本征声线的个数，根据上式可得声速测量误差σ_c计算式：

σ_c＝c_esv-c。

在本部分优选实施例中，步骤S4中，具体的，阵位测量误差由两部分等效获得：声信标阵位校准误差(σ_xmi,σ_ymi)和由平台机动引起的误差(σ_xvi,σ_yvi)，

设机动平台以航行速度v，航向角θ在水下运动，阵位测量误差(σ_xi,σ_yi)可由下式获得：

在本部分优选实施例中，步骤S5中，具体的，利用偏微分矩阵法给出机动平台声学导航误差预测模型，用HDOP描述导航精度，将步骤S1中的声学导航模型写为：

误差项源于：时延测量误差dt_i、阵位测量误差(dx_i,dy_i)、声速测量误差dc。因此各误差项与导航误差之间的关系可写为：

一般认为各误差相互独立、服从零均值的高斯分布。

用HDOP描述导航精度，其中：

给出下式：

下面给出一个具体实施算例：

采用仿真对本发明所设计的复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法进行验证，并对结果进行说明。

给出各参数如下：水下布放四个声信标，各声信标位置坐标参照表1所示。同步周期T＝12s。水下平台沿30°航向角以5m/s的航速匀速直线运动，深度恒定为60m。根据选定的声信标位置及感兴趣的误差测量区域，选取100m为间距形成网格，遍历所有点，并给出某海域水文条件，如图2所示。

表1声信标位置参数

首先给出声信号频率为8KHz、9KHz、10KHz时，时延测量误差参照图3所示。分析图3可知，随着声作用距离增加时延测量误差随之增大，在作用距离为2000m内，时延测量误差急剧增加，超过2000m的作用距离以后，时延测量误差增加较为平缓。这是由于接收到的声信号SNR随距离增大而下降，导致信号测量精度下降，误差增大。

其次，根据我国海况选取平均声速为1530m/s，给出声速测量误差参照图4所示。由图2，这是含有温跃层的负梯度水文条件。由图4可知，声速测量误差随声作用距离发生变化，并不是固定值。同一接收深度处，随着水平距离的增加，声速测量误差绝对值缓慢减小，在水平距离4800m处发生跃变，有明显上升趋势。

然后，给出阵位测量误差参照图5所示。受阵位校准误差和平台机动引起的误差的影响，在误差测量区域内不同位置处，阵位测量误差不同，最小处阵位测量误差约为4.5m，而最大误差可接近16m，因此用固定值代替声速测量误差与物理实际严重不符。

最后给出复杂海洋环境下水下机动平台导航误差预测结果参照图6所示。分析可知，该发明方法可以较为贴合实际的预测出导航误差，且采用偏微分矩阵法提高了运算效率，具有简便易操作性。

Claims (6)

1.一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1建立水下机动平台声学导航模型，确定导航误差的主要来源；

S2确定与实际环境相关的时延测量误差；

S3确定与实际环境相关的声速测量误差；

S4确定与实际环境相关的阵位测量误差；

S5建立机动平台声学导航误差预测模型，将上述时延测量误差、声速测量误差及阵位测量误差带入所述机动平台声学导航误差预测模型，获得全空间声学导航误差预测结果。

2.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S1中，具体的，根据圆交汇模型原理，声学导航模型公式如下：

其中，h²＝(z-z_i)²，(x,y,z)为水下机动平台位置，(x_i,y_i,z_i)为声信标位置，i为声信标编号，t_i为声信号到达不同声信标的传播时延，c为平均声速，

由该公式确定导航误差的来源为：时延测量误差、声速测量误差以及阵位测量误差。

3.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S2中，具体的，时延测量误差σ_t计算公式如下：

其中，k为经验常数；SL表示声源级；NL表示噪声级；TL表示声传播损失，计算公式如下：

TL＝n·logR+α·R

其中，n表示声传播几何扩展系数，R表示声作用距离，α表示海水声吸收系数，其经验公式为:

f表示声信号频率，单位为Hz，公式(1)适用于f为5KHz以下的情况，公式(2)适用于f为5KHz以上的情况。

4.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S3中，具体的，首先，利用Bellhop模型进行声场建模，并获得有效声速c_esv：

其中，z表示深度，r表示距原点的水平距离，(r_i,z_i)为声源位置，(r_si,z_si)为接收点位置，τ_i为声传播时延，i表示本征声线的个数，根据上式可得声速测量误差σ_c计算式：

σ_c＝c_esv-c。

5.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S4中，具体的，阵位测量误差由两部分等效获得：声信标阵位校准误差(σ_xmi,σ_ymi)和由平台机动引起的误差(σ_xvi,σ_yvi)，

设机动平台以航行速度v，航向角θ在水下运动，阵位测量误差(σ_xi,σ_yi)可由下式获得：

6.根据权利要求1所述的一种复杂海洋环境下水下机动平台声学导航误差预测方法，其特征在于，步骤S5中，具体的，利用偏微分矩阵法给出机动平台声学导航误差预测模型，用HDOP描述导航精度，具体公式如下: