專利名稱：水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聲定位導(dǎo)航方法，具體地說主要涉及海底應(yīng)答器定位導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，長基線定位導(dǎo)航的精度高，作用距離遠(yuǎn)。事實上，長基線定位導(dǎo)航精度與應(yīng)答器布放位置以及潛器和應(yīng)答器陣之間的相對位置有關(guān)系，特別在某個應(yīng)答器附近時定位導(dǎo)航精度下降。換言之，長基線定位導(dǎo)航在某些位置有定位盲區(qū)。當(dāng)潛器上安裝聲學(xué)基陣(如超短基線)具有定位能力時，僅利用單個海底應(yīng)答器也能夠?qū)λ聺撈鞫ㄎ粚?dǎo)航。雖然單海底應(yīng)答器定位導(dǎo)航的作用距離不如長基線系統(tǒng)，但是在近距離處定位導(dǎo)航精度高，能夠彌補(bǔ)長基線定位導(dǎo)航的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既可發(fā)揮長基線定位導(dǎo)航精度高，作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮超短基線近距離處定位精度高的優(yōu)點(diǎn)的水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 (1)對布放在海底的應(yīng)答器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)； (2)利用潛器與各應(yīng)答器之間的距離信息根據(jù)長基線原理進(jìn)行對潛器進(jìn)行粗定位，進(jìn)而選取定位導(dǎo)航用的應(yīng)答器； (3)對所選擇的應(yīng)答器，計算其組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，確定潛器在該位置時組合定位導(dǎo)航的權(quán)值； (4)根據(jù)長基線定位結(jié)果和超短基線定位結(jié)果，利用選定的權(quán)值計算組合定位導(dǎo)航的結(jié)果。
本發(fā)明還可以包括 1、所述的對布放在海底的應(yīng)答器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)的方法是利用水聲換能器在水面多點(diǎn)與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答，同時利用GPS獲得測點(diǎn)的位置信息，利用長基線定位方法解算出應(yīng)答器的絕對位置。
2、所述的選取定位導(dǎo)航用的應(yīng)答器，是根據(jù)長基線定位和超短基線定位都能夠獲得較高定位精度的應(yīng)答器，去除一些冗余的、無效的應(yīng)答器。首先，計算出各應(yīng)答器與潛器之間的距離相對方位。然后根據(jù)海深去除距離較大的應(yīng)答器，保留距離較小的應(yīng)答器。最后在相對潛器的方位較為接近的應(yīng)答器中，僅保留其中一個即可。
3、所述的計算其組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，確定潛器在該位置時組合定位導(dǎo)航的權(quán)值，包括長基線定位導(dǎo)航和超短基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布特性，其中長基線地定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性與應(yīng)答器構(gòu)成的幾何陣型，時延測量精度，應(yīng)答器位置精度等因素有關(guān)；而超短基線則與時延測量精度、方位測量精度、應(yīng)答器位置校準(zhǔn)精度以及安裝誤差的校準(zhǔn)精度有關(guān)。首先根據(jù)水深和應(yīng)答器陣形計算出長基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布特性；然后計算出超短基線定位誤差的空間分布特性。
4、所述的利用選定的權(quán)值計算組合定位導(dǎo)航的結(jié)果的方法為，首先計算各種方法的獨(dú)立定位結(jié)果，然后根據(jù)步驟3所述組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性計算出相應(yīng)的權(quán)值，最后將各種結(jié)果加權(quán)求和即得組合定位導(dǎo)航結(jié)果。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要對海底應(yīng)答器進(jìn)行精確的絕對位置校準(zhǔn)(步驟1)，這是定位導(dǎo)航的基本前提。通常的做法是利用水聲換能器在水面多點(diǎn)與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答，同時利用GPS獲得測點(diǎn)的位置信息，利用相應(yīng)的定位解算方法得到應(yīng)答器的絕對位置。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要對潛器進(jìn)行粗定位(步驟2)，選取應(yīng)答器。選取的原則是根據(jù)長基線定位和超短基線定位都能夠獲得較高定位精度的應(yīng)答器，去除一些冗余的、無效的應(yīng)答器。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要計算組合定位導(dǎo)航所用海底應(yīng)答器構(gòu)成長基線時定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，進(jìn)而確定權(quán)值(步驟3)。包括長基線定位導(dǎo)航和超短基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布特性，其中長基線地定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性與應(yīng)答器構(gòu)成的幾何陣型，時延測量精度，應(yīng)答器位置精度等因素有關(guān)；而超短基線則與時延測量精度、方位測量精度、應(yīng)答器位置校準(zhǔn)精度以及安裝誤差的校準(zhǔn)精度有關(guān)。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，需要根據(jù)步驟3中所計算的空間分布特性和粗定位結(jié)果選取權(quán)值，進(jìn)行定位。
本發(fā)明的特點(diǎn)是在海底布放多只應(yīng)答器，對安裝有超短基線的潛器進(jìn)行定位導(dǎo)航。潛器上的超短基線與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答，對各應(yīng)答器進(jìn)行測距測向，根據(jù)單獨(dú)的長基線方法和超短基線方法選取相應(yīng)的應(yīng)答器，并計算出相應(yīng)的權(quán)值，實現(xiàn)對水下潛器的高精度定位導(dǎo)航。該方法僅需要在原有的多海底應(yīng)答器導(dǎo)航體制的基礎(chǔ)上，在水下潛器上安裝超短基線即可，不會增加太大的硬件負(fù)擔(dān)。此外，該方法既發(fā)揚(yáng)了長基線定位導(dǎo)航精度高，作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，又發(fā)揚(yáng)了超短基線近距離處定位精度高的優(yōu)點(diǎn)，而這些又是彼此的不足。


圖1是海底應(yīng)答器定位導(dǎo)航的幾何配置示意圖； 圖2是定位精度為斜距0.5％的超短基線的單海底應(yīng)答器定位導(dǎo)航的空間誤差分布示意圖； 圖3是三海底應(yīng)答器構(gòu)成長基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布示意圖； 圖4是三海底應(yīng)答器組合定位導(dǎo)航空間誤差分布示意圖； 圖5是五種定位導(dǎo)航誤差的對比情況。
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 圖1給出了三海底應(yīng)答器組合定位導(dǎo)航(L/USBL)的幾何配置示意圖。應(yīng)答器1、2、3錨定于海底，超短基線4安裝于潛器上。潛器可以有多種定位導(dǎo)航方式，①利用超短基線與各應(yīng)答器問答分別對潛器定位導(dǎo)航，也可利用②與各應(yīng)答器之間的距離信息對潛器進(jìn)行長基線方式定位導(dǎo)航，還可以③將長基線導(dǎo)航和超短基線導(dǎo)航結(jié)合起來采取組合導(dǎo)航方式。
假設(shè)長基線與超短基線的定位導(dǎo)航結(jié)果都是獨(dú)立的，那么組合聲學(xué)導(dǎo)航結(jié)果可用下式表示 式中，

是指L/USBL組合聲學(xué)導(dǎo)航結(jié)果；ωi為權(quán)系數(shù)，

表示第i個獨(dú)立的長基線和超短基線導(dǎo)航結(jié)果；N指導(dǎo)航方法的種數(shù)，一般與應(yīng)答器數(shù)目及其與潛器之間的相對幾何位置關(guān)系有關(guān)。例如，對于三海底應(yīng)答器，如果長基線和超短基線的導(dǎo)航結(jié)果都有效，那么可取N＝4。
組合導(dǎo)航的關(guān)鍵在于權(quán)系數(shù)ωi的選取，它直接決定了最終的定位導(dǎo)航性能。權(quán)系數(shù)的選取方法如下 根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)則，權(quán)系數(shù)ωi可以根據(jù)下式確定 式中

為L/USBL組合導(dǎo)航結(jié)果的均方誤差。由于各種導(dǎo)航結(jié)果相互獨(dú)立，因而有 根據(jù)無偏性要求，有 這是一個在式(4)約束下的最優(yōu)化問題，容易用Lagrange乘子法求解?？梢詷?gòu)造代價函數(shù) 經(jīng)過簡單的推導(dǎo)可求得 此時組合定位導(dǎo)航精度最高。式(6)給出了組合導(dǎo)航的權(quán)系數(shù)。
長基線的優(yōu)勢在于作用距離遠(yuǎn)，定位精度高，水深對水平定位精度影響小。但其深度精度較差，在長基線陣型外部定位精度要比內(nèi)部差，且在靠近某一應(yīng)答器的正上方時，定位精度不穩(wěn)定。超短基線的優(yōu)勢在于僅需要與單只海底應(yīng)答器問答就可實現(xiàn)定位導(dǎo)航，數(shù)據(jù)更新率高，實時性好，并且超短基線的絕對位置定位精度與距離有關(guān)，在靠近某應(yīng)答器時，利用超短基線的定位導(dǎo)航結(jié)果甚至可能優(yōu)于長基線導(dǎo)航結(jié)果。而組合聲學(xué)導(dǎo)航方法則將兩者的優(yōu)勢都結(jié)合起來，相互彌補(bǔ)對方的不足，使最終的定位導(dǎo)航精度總體得到提高，并且結(jié)果無偏。
下面對所提方案進(jìn)行計算機(jī)仿真。三個海底應(yīng)答器以等邊三角形布放，應(yīng)答器之間基線長度為2000m，海深1000m，潛器工作深度為200m。超短基線的定位精度是斜距的0.5％。圖2-圖5中ε表示定位的誤差。圖2給出了潛器工作深度下的單海底應(yīng)答器定位精度的空間分布特性?？梢钥闯?，隨著潛器與海底應(yīng)答器相對距離的增大，導(dǎo)航精度逐漸降低。圖3給出了三應(yīng)答器構(gòu)成長基線對潛器在工作深度平面內(nèi)的定位精度的空間分布特性?？梢钥闯鲈谌龖?yīng)答器構(gòu)成的三角形內(nèi)部定位導(dǎo)航精度較高，而在三角形外部定位導(dǎo)航精度較差，特別地，當(dāng)潛器靠近其中某個應(yīng)答器的正上方時，定位導(dǎo)航性能急劇下降。圖4給出了L/USBL組合定位導(dǎo)航精度的空間分布特性?？梢钥闯鱿鄬τ趩螒?yīng)答器和長基線導(dǎo)航，其精度都有提高，并且當(dāng)潛器位于應(yīng)答器正上方時，定位導(dǎo)航也能得到較高的精度。圖5給出的是當(dāng)潛器位于三應(yīng)答器的水面投影構(gòu)成的三角形其中一邊的中垂線上時三種方法(長基線、超短基線、以及組合定位導(dǎo)航)的五條定位精度曲線的比較。從圖中可以看出，相對于其他方法，組合導(dǎo)航方法可以獲得較高的導(dǎo)航精度。
權(quán)利要求
1、一種水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法，其特征是
(1)對布放在海底的應(yīng)答器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)；
(2)利用潛器與各應(yīng)答器之間的距離信息根據(jù)長基線原理進(jìn)行對潛器進(jìn)行粗定位，進(jìn)而選取定位導(dǎo)航用的應(yīng)答器；
(3)對所選擇的應(yīng)答器，計算其組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，確定潛器在該位置時組合定位導(dǎo)航的權(quán)值；
(4)根據(jù)長基線定位結(jié)果和超短基線定位結(jié)果，利用選定的權(quán)值計算組合定位導(dǎo)航的結(jié)果。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法，其特征是所述的對布放在海底的應(yīng)答器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)的方法是利用水聲換能器在水面多點(diǎn)與海底應(yīng)答器進(jìn)行問答，同時利用GPS獲得測點(diǎn)的位置信息，利用長基線定位方法解算出應(yīng)答器的絕對位置。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法，其特征是所述的選取定位導(dǎo)航用的應(yīng)答器，是根據(jù)長基線定位和超短基線定位都能夠獲得較高定位精度的應(yīng)答器，去除一些冗余的、無效的應(yīng)答器；首先，計算出各應(yīng)答器與潛器之間的距離相對方位，然后根據(jù)海深去除距離較大的應(yīng)答器，保留距離較小的應(yīng)答器，最后在相對潛器的方位較為接近的應(yīng)答器中，僅保留其中一個即可。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法，其特征是所述的計算其組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，確定潛器在該位置時組合定位導(dǎo)航的權(quán)值，包括長基線定位導(dǎo)航和超短基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布特性，其中長基線地定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性與應(yīng)答器構(gòu)成的幾何陣型，時延測量精度，應(yīng)答器位置精度等因素有關(guān)；而超短基線則與時延測量精度、方位測量精度、應(yīng)答器位置校準(zhǔn)精度以及安裝誤差的校準(zhǔn)精度有關(guān)；首先根據(jù)水深和應(yīng)答器陣形計算出長基線定位導(dǎo)航的空間誤差分布特性；然后計算出超短基線定位誤差的空間分布特性。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法，其特征是所述的利用選定的權(quán)值計算組合定位導(dǎo)航的結(jié)果的方法為首先計算各種方法的獨(dú)立定位結(jié)果，然后根據(jù)步驟3所述組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性計算出相應(yīng)的權(quán)值，最后將各種結(jié)果加權(quán)求和即得組合定位導(dǎo)航結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下多應(yīng)答器組合導(dǎo)航方法。對布放在海底的應(yīng)答器進(jìn)行絕對位置校準(zhǔn)；利用潛器與各應(yīng)答器之間的距離信息根據(jù)長基線原理進(jìn)行對潛器進(jìn)行粗定位，進(jìn)而選取定位導(dǎo)航用的應(yīng)答器；對所選擇的應(yīng)答器，計算其組合定位導(dǎo)航誤差的空間分布特性，確定潛器在該位置時組合定位導(dǎo)航的權(quán)值；根據(jù)長基線定位結(jié)果和超短基線定位結(jié)果，利用選定的權(quán)值計算組合定位導(dǎo)航的結(jié)果。本發(fā)明提出一種將多應(yīng)答器的長基線定位導(dǎo)航和單海底應(yīng)答器的超短基線定位導(dǎo)航方式相結(jié)合，得到一種基于多應(yīng)答器的水下潛器組合聲學(xué)定位導(dǎo)航方法。解決了長基線定位導(dǎo)航在某些位置有定位盲區(qū)的問題。
文檔編號G01S5/28GK101441266SQ20081020983
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者孫大軍, 蘭華林, 張殿倫, 盧逢春, 鄭翠娥, 想 李 申請人:哈爾濱工程大學(xué)