一種新的艦艇編隊相對定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新的可以在"體系對抗"條件下、無 衛(wèi)星定位時、對編隊艦艇內(nèi)各艦艇的慣導(dǎo)位置誤差進行聯(lián)合修正的艦艇編隊相對定位方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)，特別是無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭形式由武器與武 器等"平臺"之間的對抗轉(zhuǎn)變?yōu)?體系"與"體系"的對抗。在這種條件下，現(xiàn)代較大規(guī)模的海 戰(zhàn)通常是由航母、驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦、無人艇等多種艦艇進行的編隊作戰(zhàn)，小規(guī)模海戰(zhàn)也是編 隊中各艦艇的協(xié)同行動，所以，在體系對抗條件下，作戰(zhàn)艦艇為了有效保護自己，有力打擊 敵人，更好的完成打擊、偵查等任務(wù)，將會成"群"出動，組成艦艇編隊共同執(zhí)行任務(wù)，艦艇編 隊將成為海上行動的一種基本工作模式。
[0003] 鑒于導(dǎo)航在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中重要的地位，如何提高編隊各艦艇導(dǎo)航精度成為一個非常 重要的問題。慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠連續(xù)提供多種較高精度的導(dǎo)航參數(shù)信息，頻帶寬，自主性強，主 要缺點是導(dǎo)航定位誤差隨時間積累，難以長時間獨立工作;雖然衛(wèi)星定位具有高精度實時 定位測速能力，但衛(wèi)星信號易受干擾，同時面臨戰(zhàn)時不可用問題。因而，目前通過艦載數(shù)據(jù) 鏈傳輸慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行艦艇編隊、協(xié)同海戰(zhàn)的技術(shù)手段均存在嚴(yán)重缺 陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種新的艦艇編隊相對定位方法，利用 艦載數(shù)據(jù)鏈將艦間相互測距信息與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通過基于測量學(xué)平差的數(shù)據(jù)融合方法有效結(jié) 合，成功地解決了如何在"體系對抗"條件下，無衛(wèi)星定位時提高編隊各艦艇導(dǎo)航精度的問 題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006 ] -種新的艦艇編隊相對定位方法，該相對定位方法包括以下步驟：
[0007] 第一步，構(gòu)建基于艦載數(shù)據(jù)鏈、艦載慣導(dǎo)和相對定位計算機的艦艇編隊相對定位 系統(tǒng)，在艦艇編隊的每個艦艇上安裝艦艇編隊相對定位系統(tǒng)，確定相對定位時編隊艦艇相 鄰艦艇間的信息交互內(nèi)容，艦載慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)傳送至艦載數(shù)據(jù)鏈，艦載數(shù)據(jù)鏈利用無線電測 距進行艦艇編隊內(nèi)各艦艇兩兩之間的相互測距，同時利用無線電通信實時通報慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和 測距信息，并將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測距信息傳送給相對定位計算機，
[0008] 第二步，以艦艇的測距信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計算得到的計算距離之差作為量測量，以 各艦艇慣導(dǎo)的位置誤差為待估計量，建立艦艇編隊相對定位方法的數(shù)學(xué)模型，以測量學(xué)平 差理論中的全參數(shù)加權(quán)最小二乘估計方法估計艦艇慣導(dǎo)位置誤差，然后利用艦艇慣導(dǎo)位置 誤差估計反饋修正慣導(dǎo)輸出位置，達到艦艇慣導(dǎo)定位誤差聯(lián)合修正的效果。
[0009] 傳送的艦載慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)包括狀態(tài)字、經(jīng)度λ,、煒度φ,、幀號，測距信息指的是相互 測距值<7i = l，…，n，i矣j)，以艇間相互測距值和由艦艇各慣導(dǎo)提供的位置信息{M， Φ d (i = 1，…，η)，其中η為編隊艦艇數(shù)量，計算得到的計算距離#之差作為量測量，以艦艇 各慣導(dǎo)的位置誤差= 為待估計量，建立艦艇編隊相對定位方法的數(shù)學(xué)模 型。
[0010]所述數(shù)學(xué)模型的建立步驟為：以彳,<!:/}(/= 1,…,/〇表示艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)i的輸出位置， 則Φ]的關(guān)系為： _1]
(1),
[0012] 式中，R為地球半徑，
[0013] {Δχ/,Δχ7}與慣導(dǎo)i輸出經(jīng)煒度誤差關(guān)系為：
[0014]
(2)，
[0015] 艦艇i和艦艇j之間的相互測距值 < 和由慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出計算得到的計算距離名分 別表示為：
[0016] (3)；,
[0017] (4),
[0018] 式⑶中{Xl，yi}表示艦艇實際位置，叫表示測距誤差，4~Ν(0，σ〗)，4為測距方 差，
[0019] {xi，y]和{χ/的關(guān)系表不為：
[0020]
(5)，
[0021] 將式(5)帶入式(3)并線性化，得：
[0022]
123 令4 =$*-<'，并將式(6)寫成矩陣形式為： 2 Lm=HX+A (7)， 3 式(6)中，量測值矩陣Lm是由if與4之差組成的pXl維矩陣，其中p等于n(n-l)/ 2，!1為？\211維矩陣，位置誤差矩陣龍=丨:八<,~1/,.，.,八匕~/,]'八為噪聲矩陣， j~Ν(0, )，Σ丨.為p X p維測距值協(xié)方差矩陣，
[0026] 考慮量測值的隨機性質(zhì)，
[0027]
(8)，
[0028] 式中，E( ·)為數(shù)學(xué)期望，的pXp維對角協(xié)方差陣，Q為L的pXp維對角權(quán)逆 陣，P為L的p X P維對角權(quán)陣，4為單位權(quán)方差，
[0029] 則艦艇編隊相對定位數(shù)學(xué)模型為：
[0030]
(.9),
[0031]所述參數(shù)X的估計中，量測方程共有2n個未知參數(shù)，則需要至少2n個相互獨立的量 測方程，而在P個量測方程中最多有2n-3個相互獨立的量測方程，因而，量測方程系數(shù)矩陣Η 存在秩虧問題，根據(jù)測量學(xué)平差理論，引起秩虧為形虧時，為避免形虧，則在Ρ個量測值中相 互獨立方程的個數(shù)不能少于2η-3;引起秩虧為數(shù)虧時，由于整網(wǎng)沒有固定點，也就是缺少絕 對定位數(shù)據(jù)，所以數(shù)虧無法避免，對于艦艇編隊組成的空間二維網(wǎng)來說其數(shù)虧數(shù)為3，
[0032] 在所述艦艇編隊相對定位數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，為了解決Η的秩虧問題，以測量學(xué)平差 理論中的全參數(shù)加權(quán)最小二乘估計方法計算慣導(dǎo)位置誤差估計值{Δ?/，Δ欠丨，具體過程如 下：
[0033] Δ用其估計值V代替，X用其估計值χ = 代替，根據(jù)全參數(shù) 加權(quán)最小二乘原理，求參數(shù)估計值文，選取優(yōu)化指標(biāo)：
[0034]
(1〇)，
[0035] 式（10)中，P、P:分別為量測值權(quán)陣和慣導(dǎo)位置誤差的權(quán)陣，根據(jù)式(9)和式（10)計 算得：
[0036]
(11),
[0037]其中，Η秩虧時，HP:#為非負定矩陣，P為正定矩陣，兩者的和必為正定矩陣，然后利 用慣導(dǎo)位置誤差估計值1對慣導(dǎo)輸出值進行反饋修正，從而達到慣導(dǎo)定位誤差聯(lián)合修正的 效果。
[0038] 艦載數(shù)據(jù)鏈在艦艇間相對速度小于40m/s下完成兩兩之間實時同步測距，測距范 圍在5m到20km之間，測距方式為雙向單程測距，艦載數(shù)據(jù)鏈天線采用全向天線，艦載數(shù)據(jù)鏈 時鐘同步精度高于50ns，同步測距精度小于30m，測距值輸出頻率不小于1Hz，艦載數(shù)據(jù)鏈的 信號調(diào)制方式為載波和偽隨機碼雙重調(diào)制，信息傳輸速率不小于lkbs。
[0039] 本發(fā)明中艦載數(shù)據(jù)鏈利用無線電測距進行艦艇編隊內(nèi)各艦艇兩兩之間的相互測 距，同時利用無線電通信實時通報慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測距信息，并將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測距信息傳送給 相對定位計算機;艦載慣導(dǎo)為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS)，是一種既不依賴外部信息，又不發(fā)射能 量的自主導(dǎo)航系統(tǒng);相對定位計算機是能夠完成相對定位計算的計算機系統(tǒng)。
[0040] 本發(fā)明考慮到慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差呈正態(tài)分布，因此，工作在同一位置的多套慣 導(dǎo)通過對輸出取"加權(quán)平均"的辦法可明顯提高其定位精度，但是，由于受慣導(dǎo)系統(tǒng)體積、重 量及成本的限制，在多數(shù)情況下一艘艦艇(特別是無人艇)僅能裝1~2套慣導(dǎo)系統(tǒng)，"加權(quán)平 均"的思路很難實施。從"體系"的角度考慮，可以將上述思路應(yīng)用到一個艦艇編隊，利用艦 載數(shù)據(jù)鏈實時測量并相互通報各艦艇之間的距離和它們的位置，將艇間相互測距值和由艦 艇各慣導(dǎo)提供的位置信息計算得到的計算距離之差作為量測量，利用測量學(xué)平差的方法來 估計艦艇各慣導(dǎo)的位置誤差，這樣可以達到與"加權(quán)平均"類似的效果，這就是基于測量學(xué) 平差的艦艇編隊相對定位技術(shù)的基本原理。所述艦艇編隊內(nèi)的每個艦艇進行相對定位時刻 采用的相對定位系統(tǒng)由一套艦載數(shù)據(jù)鏈、一套慣導(dǎo)系統(tǒng)和一套相對定位計算機組成;工作 過程中，慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳送給艦載數(shù)據(jù)鏈，傳輸?shù)膽T導(dǎo)數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、煒度、狀態(tài)字、幀號，艦載 數(shù)據(jù)鏈負責(zé)各艦艇兩兩之間的相互測距，并實