CN113376580B - 一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其通过预先布设在海底的通信信标，接收机定位精度的进行调整，实现接收机位置的快速定位，其特征在于，其接收机位置的快速解算方法包括下列步骤：获取接收机初始坐标；根据所述初始坐标，计算偏导矩阵G与偏差向量B；基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标，计算最新的接收机坐标。

Description

一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法
技术领域
本发明涉及水下定位技术领域，尤其涉及一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法。
背景技术
海洋在一个国家的战略中处于非常重要的地位。国际贸易的货物流动大部分是通过海洋运输，可以说海洋运输线往往就是一个国家的生命线。海洋中还蕴含着丰富的矿产资源、石油和天然气，可以为国家的发展提供物质保障。此外，海洋对一个国家的政治军事也具有重要的意义。通过海洋，国家军队可以远赴到世界的很多地区。现在，随着海洋开发利用的发展，水下机器人相关技术也有了广泛应用。水下机器人的定位导航是水下机器人的核心技术。现阶段的水下机器人通常靠惯性器件获得自身定位信息，但惯性器件的误差会随着时间推移而累积。因此可以通过在海底布放可以发射定位信号的信标，使水下机器人接收信号来获得持续高精度的定位服务。信标与水下机器人时钟同步模式下，水声定位系统一般采用球面交汇模型解算水下机器人位置。传统的位置解算方法主要是通过降次处理，得到三元一次方程组，然后根据最小二乘法，获取水下机器人位置坐标。但这种方法获取的位置坐标精度一般较差，无法满足高精度水下机器人作业需求。因此，本发明提供一种用来提高水声定位系统定位精度的位置求解方法，可以根据定位精度需求来解算水下机器人位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其通过预先布设在海底的通信信标，接收机定位精度的进行调整，实现接收机位置的快速定位，其特征在于，其接收机位置的快速解算方法包括下列步骤：
获取接收机初始坐标U0；
根据所述初始坐标U0，计算偏导矩阵G与偏差向量B；
基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标U0，计算最新的接收机坐标。
可选的，所述接收机初始坐标U0为接收机载体的入水位置、所有信标位置坐标的平均值中的一种或多种。
可选的，所述偏导矩阵G的计算方式如下：
Figure BDA0003140236280000021
式中，(x，y，z)为接收机的位置坐标，(x(n)，y(n)，z(n))，n＝1，2，…，N为第n个所述通信信标的位置坐标，r(n)为接收机与通信信标之间的距离。
可选的，所述偏差向量B的计算方式如下：
Figure BDA0003140236280000022
式中，d(n)，n＝1，2，…，N为第n个信标与接收机的距离。
可选的，基于偏导矩阵G与偏差向量B通过下式计算接收机坐标误差：
Figure BDA0003140236280000031
式中，Δx为x方向上的误差，而Δy为y方向上的误差，Δz为z方向上的误差。
可选的，对Δx、Δy、Δz预设阈值，若Δx、Δy、Δz之一大于阈值时，通过偏导矩阵G与偏差向量B重新计算接收机坐标误差；
若Δx、Δy、Δz均小于阈值，则Δx、Δy、Δz符合精度要求。
可选的，通过下式计算最新的接收机坐标：
Figure BDA0003140236280000032
式中，
Figure BDA0003140236280000033
为最新的接收机坐标值。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果如下：本发明提供的一种用来提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，可通过偏导矩阵G与偏差向量B实现接收机在x、y、z三个方向上的误差计算，从而实现接收机自身位置的精确定位，进而提升水下定位的精度，并且与传统的直接估计位置方法相比，本发明估计得到的位置定位精度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供一种用来提高水声定位系统定位精度的位置解算方法流程图。
图2是本发明实施例提供的方法估计目标轨迹。
图3是直接估计法估计目标轨迹。
图4是本发明实施例提供的方法估计目标轨迹坐标均方根误差。
图5是直接估计法估计目标轨迹坐标均方根误差。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的可选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参见图1，一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其通信信标锚定于海底，并记录通信信标自身的三维位置坐标，而在水下载体处设有超短基线声学基阵的接收机以及高精度的GPS，通过高精度的GPS获得接收机的初始位置坐标，通过偏导矩阵G与偏差向量B实现接收机误差的校正，从而实现接收机精度的调节，其具体方法包括下列步骤：
步骤101、获取接收机初始坐标U0；
步骤102、根据所述初始坐标U0，计算偏导矩阵G与偏差向量B；
步骤103、基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标U0，计算最新的接收机坐标。
在步骤101中，接收机初始坐标U0采用搭载接收机的水下载体的入水位置作为初始坐标。
在步骤102，所述偏导矩阵G的计算方式如下：
Figure BDA0003140236280000051
式中，(x，y，z)为接收机的位置坐标，(x(n)，y(n)，z(n))，n＝1，2，…，N为第n个所述通信信标的位置坐标，r(n)为接收机与通信信标之间的距离，，而r(n)通过下式进行计算：
Figure BDA0003140236280000061
而所述偏差向量B的计算方式如下：
Figure BDA0003140236280000062
式中，d(n)，n＝1，2，…，N为第n个信标与接收机的距离。
基于偏导矩阵G与偏差向量B通过下式计算接收机坐标误差：
Figure BDA0003140236280000063
式中，Δx为x方向上的误差，而Δy为y方向上的误差，Δz为z方向上的误差。
在步骤103中，本发明还公开了一种接收机误差进行判断的方法，其方法包括：对Δx、Δy、Δz预设阈值，若Δx、Δy、Δz之一大于阈值时，通过偏导矩阵G与偏差向量B重新计算接收机坐标误差，直至Δx、Δy、Δz均小于阈值；
若Δx、Δy、Δz均小于阈值，则Δx、Δy、Δz符合精度要求。
在具体实施中，Δx、Δy、Δz所预设的阈值各不相同，可以根据实际所需求的精度来决定，例如，若需要Δz方向上的精度高一些，则将Δz方向上的阈值设置为小于Δx、Δy方向上的阈值。
可选的，通过下式计算最新的接收机坐标：
Figure BDA0003140236280000071
式中，
Figure BDA0003140236280000072
为最新的接收机坐标值。
为了验证本发明的实施效果，本实施例构建了多个海底信标与接收机之间的误差验证仿真实验，其预设了6个海底信标坐标，分别为：(2000，0，-2980)m，(1000，-1732，-3020)m，(-1000，1732，-3000)m，(-2000，0，-3030)m，(-1000，-1732，-2990)m，(1000，-1732，-3010)m；
同时预设接收机的水下载体的初始位置为：(-1000，-1000，-2000)m，速度为(3，3，0)m/s，运动过程噪声参数为0.001；
距离测量方差为4，系统采样时间间隔为1s，采样时长为100s，蒙特卡洛试验次数为50次。
仿真得到的结果如图2-图5所示。通过比较图2和图3可以明显看出，使用本专利提出的位置解算方法获取的位置明显比传统方法更加收敛。通过比较图4和图5可以明显看出，使用本实施例提出的位置解算方法可以大幅度减少z轴方向位置解算误差。由此可以看出，本实施例提供的位置解算方法可以大幅度提高水声定位系统的定位精度。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其特征在于，其通过预先布设在海底的通信信标，接收机定位精度的进行调整，实现接收机位置的快速定位，其接收机位置的快速解算方法包括下列步骤：
获取接收机初始坐标U0；
根据所述初始坐标U0，计算偏导矩阵G与偏差向量B，其中所述偏导矩阵G的计算方式如下：
Figure FDA0003886058330000011
式中，(x,y,z)为接收机的位置坐标，(x(n),y(n),z(n)),n＝1,2,…,N为第n个所述通信信标的位置坐标，r(n)为接收机与通信信标之间的距离；
所述偏差向量B的计算方式如下：
Figure FDA0003886058330000012
式中，d(n),n＝1,2,…,N为第n个信标与接收机的距离；
基于偏导矩阵G与偏差向量B计算接收机坐标误差：
Figure FDA0003886058330000013
式中，Δx为x方向上的误差，而Δy为y方向上的误差，Δz为z方向上的误差，对接收机坐标误差进行判断，若所述接收机坐标误差符合阈值要求，则基于接收机坐标误差以及接收机初始坐标U0，计算最新的接收机坐标。
2.根据权利要求1所述的一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其特征在于，所述接收机初始坐标U0为接收机载体的入水位置、所有信标位置坐标的平均值中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其特征在于，对Δx、Δy、Δz预设阈值，若Δx、Δy、Δz之一大于阈值时，通过偏导矩阵G与偏差向量B重新计算接收机坐标误差；
若Δx、Δy、Δz均小于阈值，则Δx、Δy、Δz符合精度要求。
4.根据权利要求3所述的一种提高水声定位系统定位精度的位置解算方法，其特征在于，通过下式计算最新的接收机坐标：
Figure FDA0003886058330000021
式中，
Figure FDA0003886058330000022
为最新的接收机坐标值。
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