[发明专利]一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于立体六元阵的水下移动平台定位方法，基于一种基于立体六元阵的水下移动平台定位系统实现，该系统包括水面信标、姿态仪、深度计、测速仪和立体六元阵；

所述水面信标安装在母船船底或者水面浮标底部，用于发送一次声学唤醒信号激活立体六元阵然后按预先设定的时间间隔发射声学信号；

所述立体六元阵安装在水下移动平台的顶部或者前部；包括五个接收水听器与一个收发合置的中心换能器，用于接收所述水面信标发送的声学信号；

所述姿态仪安装在水下移动平台上，用于获取水下移动平台的加速度和姿态数据；

所述深度仪安装在水下移动平台上，用于获取水下移动平台的深度信息；

所述测速仪安装在水下移动平台上，用于获得水下移动平台相对于海底的速度信息；

所述方法包括：

步骤1)所述立体六元阵接收水面信标发送的声学信号，获取相对时间延迟数据；结合水下移动平台的深度数据、姿态数据经过几何解算、坐标转换得到所述水下移动平台空间位置的第一估计值；

步骤2)在以水面信标为原点的测量坐标系下，建立水下移动平台的运动方程，从而建立状态方程；通过状态方程离散与线性化、卡尔曼滤波后计算得到所述水下移动平台的空间位置的第二估计值；

步骤3)采用多源信息融合算法将所述水下移动平台的空间位置的第一估计值和第二估计值进行数据融合得到所述水下移动平台空间位置的最终估计值；

所述步骤1)具体包括以下步骤：

步骤1-1)所述水面信标先发送一次声学唤醒信号激活水下移动平台立体六元阵，然后按预先设定的时间间隔发射信号；

步骤1-2)所述立体六元阵的六个阵元依次接收发射信号，得到水面信标到立体六元阵的六个阵元的绝对时延t0、t1、t2、t3、t4和t5，由此得到各接收水听器与中心阵元的相对时延差t01、t02、t03、t04、t05；

步骤1-3)在所述立体六元阵坐标系中，设水面信标表示为P点，其位置为(x,y,z)，根据时延解算(x,y,z)，其中z通过深度计获取：

令：AX＝B

其中，

其中，d为接收水听器到中心换能器的距离；

利用最小二乘法求取近似解：

其中Q为A的伪逆，即Q＝(A′A)^-1A′；

步骤1-4)通过坐标变换将(x,y,z)转换到以水面信标为原点的测量坐标系下，获得水下移动平台相对于水面信标的空间坐标位置(x1,y1,z1)，水面信标到水下移动平台的距离为：

所述水下移动平台空间位置的第一估计值为：(x1,y1,z1)和r1；

所述步骤2)具体包括以下步骤：

步骤2-1)建立水下移动平台的运动数学模型为：

其中，x2、y2、z2分别为以水面信标为原点的测量坐标系下的x轴、y轴和z轴的状态分量，V为水下移动平台的航速，V_cx、V_cy和V_cz洋流的三个方向的速度；θ为水下移动平台的航向角，为水下移动平台的俯仰角；

步骤2-2)建立状态方程：

其中，状态量

控制量

水下移动平台与水面信标之间的距离值

步骤2-3)将步骤2-2)的状态方程离散化，利用卡尔曼滤波算法进行求解，由此得到所述水下移动平台空间位置的第二估计值：(x2,y2,z2)和r2；

所述步骤3)具体包括以下步骤：

步骤3-1)根据海洋环境效应分析结果，利用自适应处理进行动态定位调整，对步骤1)得到的第一估计值和步骤2)得到的第二估计值分别进行后置滤波；

步骤3-2)根据步骤3-1)得到滤波后的两个空间位置的估计值，利用相关处理对其进行融合得到所述水下移动平台空间位置的最终估计值。

2.根据权利要求1所述的基于立体六元阵的水下移动平台定位方法，其特征在于，所述水面信标发送的声学信号包括用于多普勒频偏补偿、时延估计的宽带导频信号和用于与水下移动平台通信的宽带编码信号。