CN110954108A - 一种基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备，该方法包括：将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流特征数据与其对应的位置、深度和时间数据进行融合，建立海流场动态模型；实时采集当前位置的海流数据，将所述海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配，并将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的位置数据作为实际估计位置；本发明将水下载体测量所得的海流实测数据与预先创建的海流特征数据进行比对，将匹配相关度最高的海流特征数据对应的位置作为水下载体的当前位置；该方法利用海流场空间对应函数唯一性的分布特征进行导航，具有处理方法简单，导航隐蔽性好，无误差累积的优点。

Description

一种基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备

技术领域

本发明属于水下导航定位技术领域，更具体地，涉及一种基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备。

背景技术

海洋科学探索、海洋矿产资源勘探正向深海区域拓展，相应的水下潜器及其相关技术研究开发日益显得重要，其中导航定位问题因水下环境的特殊性正逐步变成水下探索的瓶颈，急需解决。传统的自主惯性导航误差随时间积累而必须依靠其它信息定期进行校正。因此，必须寻找全域自然源导航手段作为深海探测的重要保障，而海流场恰恰具有这样的导航特点。

海流场是海洋本身固有的物理属性，为水下导航定位提供了天然的坐标系。海流场是矢量场，在海洋空间内任意一点的海流矢量都不同于其它地点的矢量，且与该地点的经度、维度、深度之间存在对应的关系，相对于时间和空间具有较好的稳定性。海流场空间对应函数唯一性的分布特征为利用海流实现深海的导航定位提供了可能。

目前对海流信息的应用主要是在正常惯性导航情况下引入海流信息，考虑海流对导航的影响，修正航位推算方法实现辅助导航，提高导航精度。如何利用海流信息进行水下导航，目前在国内外还没有相关报道。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备，基于原始海流数据建立海流场动态模型并根据海流场动态模型生成海流数据库；将水下载体测量所得的海流实测数据与海流数据库中的海流特征数据进行比对，与海流数据库内的海流特征数据相关性最好的位置即为水下载体的当前位置；利用海流场空间对应函数唯一性的分布特征进行导航，导航隐蔽性好且无误差累积。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于海流的水下匹配导航定位方法，包括：

将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流特征数据与其对应的位置、深度和时间数据进行融合，建立海流场动态模型；

实时采集当前位置的海流数据，将所述海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配，并将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的位置数据作为实际估计位置。

优选的，上述水下匹配导航定位方法，所述海流场动态模型采用海流特征向量表示，所述海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据。

优选的，上述水下匹配导航定位方法，将所述海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配的方法包括单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法。

优选的，上述水下匹配导航定位方法，所述海流特征数据包括潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种基于海流的水下匹配导航定位装置，该装置包括：

模型创建模块，用于将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流特征数据与其对应的位置、深度和时间数据进行融合，建立海流场动态模型；

定位模块，用于将获取的实时海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配，并将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的位置数据作为实际估计位置。

优选的，上述基于海流的水下匹配导航定位装置，所述海流场动态模型采用海流特征向量表示，所述海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据。

优选的，上述基于海流的水下匹配导航定位装置，所述定位模块采用的匹配方法包括单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法。

优选的，上述基于海流的水下匹配导航定位装置，所述海流特征数据包括潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征。

按照本发明的第三个方面，还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元上述任一项所述的基于海流的水下匹配导航定位方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的基于海流的水下匹配导航定位方法、装置及电子设备，将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流数据与对应的位置数据、深度数据、时间数据进行融合，建立海流场动态模型；直接将水下载体测量所得的海流实测数据与海流数据库中的海流特征数据进行比对，与海流数据库内的海流特征数据相关性最好的位置即为水下载体的当前位置；该方法利用海流场空间对应函数唯一性的分布特征进行导航，具有处理方法简单，导航隐蔽性好，无误差累积的优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于海流的水下匹配导航定位方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的水下匹配导航定位装置的逻辑框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例提供的一种基于海流的水下匹配导航定位方法，包括以下步骤：

S1：基于原始海流数据建立海流场动态模型，并根据所述海流场动态模型生成海流特征数据库；其中，基于原始海流数据建立海流场动态模型具体为：将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流数据与对应的位置数据、深度数据、时间数据进行融合，建立海流场动态模型。

海流场动态模型是海流数据与位置、时间的数学关系，反映的是海流随时间和空间的位置关系，模型建立的方法可采用拟合法、内插法和基于理论的建模方法等方法，本实施例不作具体限制；本实施例中，海流场动态模型采用海流特征向量表示，该海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据；

本实施例中，海流特征数据包括潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征等几种，上述潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征分别采用三维矢量表示；本实施例根据海流特点将海流分为潮流、定海流、风生流和余流；海流是海水受较稳定的风(如信风和季风)长期吹动或海水密度分布不均匀等原因产生的，特点是流向、流速在一定的海区和时间内几乎不变。潮流是海水受日、月引潮力的作用而产生的海水水平方向的流动，特点是流向、流速随地点、时间呈周期性变化。风生流是海水受基本恒定的风力一定时间作用，而产生的一段时间内的海水水平流动，特点是流向、流速随风向、风速的变化而变化，一般风停后仍能持续一段时间。海流数据还是经度、维度、深度和时间的函数；本实施例创建的海流数据库包含了上述所有海流特征数据，作为优选的，本实施例设立了航海人员经验数据库，更好地提高数据库的精度。

海流数据可以通过声学多普勒海流剖面仪进行测量获得，但是通过测量所获得的数据是有限的；如果想采用海流信息进行匹配导航，需要知道海流场的分布信息。海流场模型精度与最终定位精度直接相关，而海流场又无法通过直接测量获得。因此，本实施例在建立海流场时，充分利用已有的测量数据，将海流数据在三维空间上进行分解，引入深度和时间信息，建立海流场的动态模型。再通过测量数据来验证所建立模型的性能，并对海流场动态模型不断修正，提升模型精度。

S2：实时采集当前位置的海流数据，将所述海流数据与海流数据库中的海流特征向量进行匹配，将匹配相关度大于预设值的海流特征向量对应的海流位置作为实际估计位置；

水下载体通过安装在自身的海流测量仪实时获取当前的海流数据，并将采集的海流数据进行保存，用于后续匹配定位；

获取海流测量仪采集的海流数据并进行预处理，获得海流实测数据；预处理包括奇异值消除、滤波等，然后将海流实测数据与海流数据库中的海流特征数据进行匹配，相关性最强的海流数据所对应的位置即为水下载体当前所在位置。匹配原理优选采用相关匹配，相关匹配主要强调测量海流与基准海流数据库中的数据之间的相似程度，采用互相关算法和相关系数法。

本实施例中，匹配方法可以采用单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法三种；其中，单点匹配方法也称最优匹配方法，通过设定一定的海流容差，在区域网格模型中，将当前位置测量所得的单点海流数据与海流数据库中的另一个单点海流数据进行匹配；航迹海流数据匹配方法是将航迹方向上所测的一系列海流数据序列与海流数据库中的航迹海流数据进行匹配；海流图像匹配是将在航迹方向上测量获得的二维海流数据与海流数据库中的海流图像进行匹配。然后判断两者的相关性，最后把海流图中相关极值下的海流位置作为实际位置的估计值。相关处理算法原理简单，使用范围广，且无需对海流场作线性化假设，对初始误差要求低，应用于海流场匹配时可以获得较高的匹配精度和捕获概率。

假设a为水下载体的当前实测海流数据，b为海流数据库中作为参照数据的海流特征向量，a、b均为多维矢量，两者的相关性定义为

一般ρ>0.95，认为两者相关性匹配较好，将b在海流特征数据库中的位置作为水下载体的当前位置。

本实施例还提供了一种基于海流的水下匹配导航定位装置，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并可集成在电子设备上；参见图2所示，该装置包括海流探测模块、数据预处理模块、模型创建模块和定位模块；其中，

模型创建模块用于基于原始海流数据建立海流场动态模型，并根据所述海流场动态模型生成海流特征数据库；模型创建模块首先将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流数据与其位置数据、深度数据、时间数据进行融合，建立海流场动态模型。

海流场动态模型是海流数据与位置、时间的数学关系，反映的是海流随时间和空间的位置关系，模型创建模块采用拟合法、内插法和基于理论的建模方法等方法建立海流场动态模型，本实施例不作具体限制；本实施例中，海流场动态模型采用海流特征向量表示，该海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据；将海流场动态模型保存在海流特征数据库中，作为后续定位的参照数据。

海流探测模块安装于水下载体上，用于实时获取水下载体当前的海流数据；本实施例中，海流探测模块为海流测量仪；

数据预处理模块用于对海流探测模块采集的海流数据进行预处理，预处理包括但不限于奇异值消除、滤波等；

定位模块用于将数据预处理模块处理后的实时海流数据与海流数据库中的海流特征数据进行匹配，将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的海流位置作为实际估计位置。

水下载体通过安装在自身的海流测量仪实时获取当前的海流数据，定位模块获取水下载体采集的海流数据之后，首先对它进行预处理，得到海流实测数据；然后采用点匹配、线匹配或面匹配方法将海流实测数据与海流数据库中的数据进行匹配。具体的匹配方法可以采用单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法中的任意一种，将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的海流位置作为实际估计位置，并输出当前位置信息。

作为本实施例的一个优选示例，上述水下匹配导航定位装置还包括数据查询模块，该数据查询模块作为海流数据库的接口，定位模块通过数据查询模块获取海流数据库中存储的海流特征数据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于海流的水下匹配导航定位方法，其特征在于，包括：

将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流特征数据与其对应的位置、深度和时间数据进行融合，建立海流场动态模型；

实时采集当前位置的海流数据，将所述海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配，并将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的位置数据作为实际估计位置。

2.如权利要求1所述的水下匹配导航定位方法，其特征在于，所述海流场动态模型采用海流特征向量表示，所述海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据。

3.如权利要求1或2所述的水下匹配导航定位方法，其特征在于，将所述海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配的方法包括单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法。

4.如权利要求1或2所述的水下匹配导航定位方法，其特征在于，所述海流特征数据包括潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征。

5.一种基于海流的水下匹配导航定位装置，其特征在于，包括：

模型创建模块，用于将原始海流数据在三维空间上进行分解，将分解后得到的海流特征数据与其对应的位置、深度和时间数据进行融合，建立海流场动态模型；

定位模块，用于将获取的实时海流数据与海流场动态模型中的海流特征数据进行匹配，并将匹配相关度大于预设值的海流特征数据对应的位置数据作为实际估计位置。

6.如权利要求5所述的水下匹配导航定位装置，其特征在于，所述海流场动态模型采用海流特征向量表示，所述海流特征向量为多维矢量，各分量分别为海流特征数据及其对应的经度、纬度、深度和时间数据。

7.如权利要求5或6所述的水下匹配导航定位装置，其特征在于，所述定位模块采用的匹配方法包括单点匹配法、航迹海流数据匹配法和海流图像匹配法。

8.如权利要求5或6所述的水下匹配导航定位装置，其特征在于，所述海流特征数据包括潮流特征、定海流特征、风生流特征和余流特征。

9.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～4任一项所述方法的步骤。

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