[发明专利]一种基于基线几何结构约束的水下航行器定位方法

说明书

本发明提供了一种基于基线几何结构约束的水下航行器定位方法，计算得到各个信标间的3D量测距离，计算两两信标间的距离，构造信标与水下航行器当前位置间的2D计算距离的等式约束条件与不等式约束条件，求得预测定位信息，建立水面信标与水下航行器间的相对距离量测方程，并通过求解约束优化问题得到水下航行器位置、航向及俯仰估计值。本发明实现了水下惯性/航位推算定位方法与水声定位方法相结合，确保了水下航行器长时间有效精确定位；使得声信标间的距离信息在定位过程中得到了有效利用；借助最大后验估计准则与扩展Kalman滤波，使得约束条件有效融入定位求解过程中，实现了水下航行器定位精度的提高。

技术领域

本发明属于水下声学导航与定位领域，具体涉及一种水下航行器定位方法，同样适用于其它各类水下自主移动目标定位过程。

背景技术

由于无线电信号在水下传播时极易被吸收而急速衰减，导致陆地、空中目标导航常用的GPS、北斗等系统难以直接用于水下航行器精确定位。目前水下航行器定位技术主要可分为三类：(1)惯性/航位推算定位；(2)地球物理学定位；(3)水声定位。惯性/航位推算定位技术的优点在于可不依赖外部信息源进行全天候、全地域自主定位，但是各高精度惯性测量传感器价格高昂、体积较大，误差随着时间积累而趋于发散。而地球物理学定位技术则更多的与惯性/航位推算技术相结合，形成水下组合导航定位系统，虽然可以在一定程度上克服惯性/航位推算定位误差发散问题，但是严重依赖于地形、地磁、深度等先验信息，且易受复杂海洋环境影响。水声定位技术则主要通过测量水下声信号发射器与接收器间的距离及方位，解算估计被定位目标位置信息。常用的水声定位方法包括长基线定位、短基线定位、超短基线定位等。长基线定位系统由布置在水底或水面的位置已知声信标基阵组成，各信标间的基线长度从上百米到几千米不等，类似于GPS定位原理，可利用曲面相交法来确定水下航行器相对于基阵的相对位置。短基线及超短基线定位系统将声信标基阵布置于固定载体(如水面舰船、作业平台等)上，信标间的基线长度较短，一般短基线长度不超过几十米，而超短基线长度则更是会小到几厘米，在定位过程中需要测量水下航行器与声信标间的距离和相位差。相比较而言，长基线定位精度最高，可靠性好，但是系统构成复杂，布放、标定及维护信标基阵均需大量的财力物力，而短基线及超短基线定位精度均不如长基线定位系统，好处在于系统构成简单，便于操作。

在当前水下航行器定位过程中，若只采用惯性/航位推算定位法，受限于水下航行器的体积大小与负载能力，其所能携带的惯性传感器定位精度有限，需要水下航行器定时浮出水面，利用GPS、北斗等系统进行位置修正，影响任务执行效率；而若只采用水声信标进行定位，则受水下复杂环境的影响，容易出现水声定位信息时延与丢包等现象，造成部分时刻定位失败。此外，多个声信标间的相对精确位置与距离信息未能被充分利用，声信标基线间的几何结构关系对于距离量测误差的约束作用也未被足够重视。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于基线几何结构约束的水下航行器定位方法，利用水声定位基线间的几何结构关系，构造声信标与水下航行器间距离量测及相关约束条件，并将其应用于水下航行器定位过程中，实现水下航行器自主定位精度的提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1，三个具有自定位功能的水声信标以固定时间间隔广播自身位置(x_i，y_i)，i＝1，2，3，水下航行器利用接受到的水声信号延迟时间Δt_i与区域水下平均声速的乘积，来计算得到各个信标间的3D量测距离利用所携带深度计精确测量水下航行器深度值h，将3D量测距离l_i转换为平面2D量测距离

步骤2，已知信标位置，计算两两信标间的距离L_ij，即定位基线长度，j＝1，2，3且i≠j；利用定位基线间的几何结构关系，构造信标与水下航行器当前位置(x，y)间的2D计算距离的等式约束条件S(r_i²)＝0与不等式约束条件h(r_i)≥J(r_i)；