CN117092588B - 一种估算水声定位系统时钟偏差方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种估算水声定位系统时钟偏差方法，包括计算迭代过程中第k次的迭代传导矩阵和迭代残差向量；计算用户接收机三维坐标误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差；并基于时钟偏差值的误差值对时钟偏差不断进行更新，直至时钟偏差满足用户定位精度，得到最终用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差。本发明通过利用迭代方式来求解发射机和用户接收机时钟偏差，充分考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，解决系统工作时间较长时的定位精度问题，令求解的最终用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差更加精准。
Description
技术领域
本发明涉及水声定位技术领域，尤其涉及一种估算水声定位系统时钟偏差方法。
背景技术
由于无线电波在海水中传播时会产生衰减，因此其传播作用距离有限，无法作为信息载体满足水下机器人远距离定位导航、指挥通信等需求。迄今为止，声波是己知的唯一可以在海水介质中远距离传播的信息载体。因此，基于水声学的水声定位技术是现有水下机器人常用的定位导航技术手段。目前，水声定位技术有着很广泛的应用，已经成功应用于海上石油勘探、海底光缆铺设、海洋工程建设等领域。从发展趋势来看，水声定位技术产品向着多功能、高精度、低成本、小型化等方面发展，在多功能方面，现有水声定位产品可以根据用户需求集成多种海洋信息传感器，有些产品还具备通信授时能力，可以与用户进行通信、授时等功能；而在基于水声定位系统的建模方面，传统建模方式通常使用同步球面相交模型和异步双曲面相交模型来获得用户的定位坐标，由于两个模型的方程都是非线性的，因此常用且有效的定位信息解算方法都是基于闭合解方式，并且在解算过程中基本不考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响。然而，如果系统工作时间较长，依然不考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，会导致定位精度下降。虽然可以通过闭合解方式可以计算发射机和用户接收机时钟偏差的闭合解方式，但通过仿真会发现，闭合解方式会导致水下定位系统的定位精度严重下降，因此需要研究一种方法在保证定位精度的前提下，对发射机和用户接收机时钟偏差进行估算的方法。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种估算水声定位系统时钟偏差方法，通过迭代过程对时钟偏差值的误差值进行求解，并基于时钟偏差值的误差值对时钟偏差不断进行更新，直至时钟偏差满足用户定位精度，得到最终用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差，解决系统工作时间较长时的定位精度问题。
为实现上述发明目的，本发明提供一种估算水声定位系统时钟偏差方法，所述方法包括以下步骤：
S0：进行预处理；
S1：确定用户精度需求范围，设置用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值/>，进入迭代过程；
S2：计算迭代过程中的第k次迭代传导矩阵和第k次迭代残差向量/>；
S3：计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>；
S4：更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>；
S5：判断S3中计算得到的与/>是否满足用户精度需求范围，若满足，则终止迭代过程，并输出本次迭代得到的用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差；若不满足，则将S4中计算得到的用户接收机新的三维坐标值/>、发射机与接收机的时钟偏差值/>分别作为新的用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值，回到S2进行迭代。
需要说明的是，S0中进行预处理具体为：在进入迭代过程前确定用户精度需求范围。
初始时S1中用户接收机初始坐标，
其中，，/>，发射机与接收机的时钟偏差初始值/>=0。
进一步需要说明的是，S2中第k次迭代传导矩阵、第k次迭代残差向量/>分别具体表示为：
式中，为第k次迭代使用的用户接收机的位置，为第i个水下信标坐标，为不考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离；
其中，为第i号水下信标与用户接收机之间的距离，/>，由/>得到，/>，c为水下声速，/>为第i号水下信标与用户接收机之间的单程传播时延，/>为考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离。
需要说明的是，的具体算式为：
其中，为第/>次迭代后取得的发射机与接收机的时钟偏差。
需要说明的是，S3中用于计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>具体算式为：
。
S4中用于更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>的具体算式为：
。
优选地，S5中当系统工作时间较短时，主要通过来判断是否终止迭代过程；当系统在没有高精度时钟的情况下工作较长时间，则需要对迭代总次数进行限制，并通过/>来判断是否终止迭代过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相较于采用闭合解方式的水下定位系统位置解算算法只能适用于系统工作时间较短的情况，本发明提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，通过利用迭代方式来求解发射机和用户接收机时钟偏差，充分考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，解决系统工作时间较长时的定位精度问题，令求解的最终用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差更加精准。
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是本发明实施例提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法整体流程示意图。
图2是现有技术中不考虑时钟误差，采用闭合解估算目标轨迹的均方根误差结果示意图。
图3是现有技术中考虑时钟误差，采用闭合解估算目标轨迹的均方根误差结果示意图。
图4是本发明实施例提供的考虑时钟误差，并采用本发明提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法解估算目标轨迹的均方根误差结果示意图
图5是现有技术中考虑时钟误差，采用闭合解估算时钟偏差结果示意图。
图6是本发明实施例提供的考虑时钟误差，并采用本发明提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法解估算时钟偏差结果示意图。
具体实施方式
在以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在基于水声定位系统的建模方面，传统建模方式通常使用同步球面相交模型和异步双曲面相交模型来获得用户的定位坐标。由于两个模型的方程都是非线性的，因此常用且有效的定位信息解算方法都是基于闭合解方式，该方法假设水下信标的三维坐标为，其中，/>，/>，用户接收机三维坐标为：/>，水下声速c，第i号水下信标与用户接收机之间的单程传播时延为/>，第i号水下信标与用户接收机之间的距离为/>，且/>，假设已经对水声声线弯曲路径已经修正，并且所有的信标都是时间同步的，但跟用于接收机的时钟偏差为/>，根据几何位置关系，有如下方程组:
根据闭合解方式，根据
，
可求得接收机位置和时钟偏差，其中，的定义如下：
其中，。
然而，不考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，采用闭合解求解接收机位置，只适用于系统工作时间较短的情况，如果系统工作时间较长，若依然不考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，那会导致定位精度下降。因此需要研究一种方法在保证定位精度的前提下，对发射机和用户接收机时钟偏差、用户接收机位置进行估算的方法。
参照图1，本实施例提供一种估算水声定位系统时钟偏差方法，所述方法包括以下步骤：
S0：进行预处理；
S1：确定用户精度需求范围，设置用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值/>，进入迭代过程；
S2：计算迭代过程中的第k次迭代传导矩阵和第k次迭代残差向量/>；
S3：计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>；
S4：更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>；
S5：判断S3中计算得到的与/>是否满足用户精度需求范围，若满足，则终止迭代过程，并输出本次迭代得到的用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差；若不满足，则将S4中计算得到的用户接收机新的三维坐标值/>、发射机与接收机的时钟偏差值/>分别作为新的用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值，回到S2进行迭代。
需要说明的是，S0中进行预处理具体为：在进入迭代过程前确定用户精度需求范围。
初始时S1中用户接收机初始坐标，
其中，，/>，发射机与接收机的时钟偏差初始值/>=0。
进一步需要说明的是，S2中第k次迭代传导矩阵、第k次迭代残差向量/>分别具体表示为：
式中，为第k次迭代使用的用户接收机的位置，为第i个水下信标坐标，为不考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离；
其中，为第i号水下信标与用户接收机之间的距离，/>，由/>得到，/>，c为水下声速，/>为第i号水下信标与用户接收机之间的单程传播时延，/>为考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离。
需要说明的是，的具体算式为：
其中，为第/>次迭代后取得的发射机与接收机的时钟偏差。
需要说明的是，S3中用于计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>具体算式为：
。
S4中用于更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>的具体算式为：
。
优选地，S5中当系统工作时间较短时，主要通过来判断是否终止迭代过程；当系统在没有高精度时钟的情况下工作较长时间，则需要对迭代总次数进行限制，并通过/>来判断是否终止迭代过程。
为了更方便说明本发明提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法的效果，本实施例做了仿真测试，仿真条件如下：六个水下信标的坐标分别为（1000，1732，-2020）m，（2000，0，-1980）m，（-1000，1732，-2000）m，（1000，-1732，-2010）m，（-1000，-1732，-1990）m，（-2000，0，-2030）m；用户接收机初始位置为（100，100，-1000）m，速度为（1,1,0）m/s；用户接收机的运动噪声为0.001；系统采样间隔为1s，采样持续时间为20分钟；在每个采样点进行50次蒙特卡罗测试，声速为1500m/s，测距方差为0.1‰距离；用户接收机和水下信标之间的时间偏移为5ms。
参考图2至图6，为了对比，将仿真条件带入现有技术中采用闭合解方式进行求解，同时将仿真条件带入本发明提供的一种估算水声定位系统时钟偏差方法进行求解，对比图2与图3，可以发现，虽然使用闭合解方式可以求解时钟偏差，但是会导致定位精度下降；对比图2、图3、图4、图5、图6，可以得出本发明提供的估算水声定位系统时钟偏差方法不仅可以提供时钟偏差，而且具备较高的定位精度，本发明通过利用迭代方式来求解发射机和用户接收机时钟偏差，充分考虑发射机和用户接收机时钟误差带来的影响，解决系统工作时间较长时的定位精度问题，令求解的最终用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差更加精准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S0：进行预处理；
S1：设置用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值/>，进入迭代过程；
S2：计算迭代过程中的第k次迭代传导矩阵和第k次迭代残差向量/>，其中第k次迭代传导矩阵/>、第k次迭代残差向量/>分别具体表示为：
式中，为第k次迭代使用的用户接收机的位置，为第i个水下信标坐标，为不考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离；
其中，为第i号水下信标与用户接收机之间的距离，/>，由/>得到，/>，c为水下声速，/>为第i号水下信标与用户接收机之间的单程传播时延，/>为考虑时钟偏差时，第i号水下信标与第k-1迭代计算得到的用户接收机位置之间的距离；
S3：计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>；
S4：更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>；
S5：判断S3中计算得到的与/>是否满足用户精度需求范围，若满足，则终止迭代过程，并输出本次迭代得到的用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差；若不满足，则将S4中计算得到的用户接收机新的三维坐标值/>、发射机与接收机的时钟偏差值/>分别作为新的用户接收机初始坐标、发射机与接收机的时钟偏差初始值，回到S2进行迭代。
2.根据权利要求1所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，S0中进行预处理具体为：在进入迭代过程前确定用户精度需求范围。
3.根据权利要求2所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，初始时S1中用户接收机初始坐标，
其中，，/>，发射机与接收机的时钟偏差初始值/>=0。
4.根据权利要求3所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，的具体算式为：
其中，为第/>次迭代后取得的发射机与接收机的时钟偏差。
5.根据权利要求4所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，S3中用于计算迭代过程中的用户接收机三维坐标的误差、发射机与接收机的时钟偏差的误差/>具体算式为：
。
6.根据权利要求5所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，S4中用于更新迭代过程中用户接收机新的三维坐标值、发射机与接收机的时钟偏差值/>的具体算式为：
。
7.根据权利要求6所述的一种估算水声定位系统时钟偏差方法，其特征在于，S5中当系统工作时间较短时，主要通过来判断是否终止迭代过程；当系统在没有高精度时钟的情况下工作较长时间，则需要对迭代总次数进行限制，并通过来判断是否终止迭代过程。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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