[发明专利]一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法

说明书

本发明提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，该方法利用目标接收到海底多个分布式潜标发送的同步声信标信号的时延信息，再结合各潜标的位置信息，解算获得目标的位置信息；相对于传统自导航方法，本发明所设计的方法引入了目标运动速度参量，消除了由目标运动速度引起的模型误差，受目标运动速度影响小；引入了目标位置自主保护机制，能够较合理地给出更精确的结果，有效提高了水下高速运动目标的自导航精度；采用差分进化算法结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强。

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别是涉及一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。

背景技术

随着人们对海洋的开发与利用，发展水下目标的自主导航能力成为发达国家研究的前沿问题。现有的水下目标导航方法有很多，如卫星导航、惯性导航、地球物理导航、组合导航等。其中卫星导航受外界环境条件限制小，并且速度快，导航精度高，可达米或亚米量级。它可在近程、中程、远程，甚至全球范围内导航，但易受外界环境或人为干扰的影响和发射台的制约，并且因需要上浮到海面，使用受限，隐蔽性差。惯性导航系统在水下目标的导航过程中使用最为普遍，通常作为导航系统的核心部件，但存在时间累积误差，且其增长速率与海流、航行器速度、测量传感器精度等因素密切相关。地球物理导航通过实时匹配测得的地球物理参数与地球物理特征的先验分布图实现导航功能，其导航误差不随时间的增加而积累，无需浮出水面，但该技术还有很多应用问题没有解决。组合导航系统通过适当的方式组合两种或两种以上不同的导航设备，利用其性能上的互补性获得更好的导航性能，通常以微小型捷联惯性导航系统为核心，并配备其他导航系统或传感器作为辅助校正和重调手段。

而迄今为止，在水下传播信息最有效的载体就是声波。近年，声学导航技术在水下目标导航中占据了重要的地位，主要包括长基线系统(Long Base Line,LBL)、短基线系统(Short Base Line,SBL)、超短基线系统(Ultra Short Base Line,USBL)三种。其中长基线声学导航系统因其定位精度高，不要求很高的安装精度，无需大量的校准工作等优点得到了广泛应用。长基线系统常采用传统球交汇方法解算，它是对椭球交汇模型的一种简化，即：水下目标运动速度很小时，忽略声信号传播过程中目标的运动并认为水下目标发射询问信号和接收应答信号均在同一位置，然而当目标运动速度较大时，这一近似处理会引入很大误差，同时该系统的实际应用中会伴随有阵位测量误差、时延测量误差、声速测量误差等，使得导航准确率变低，导航误差变大，整体性能下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法。本发明所述方法采用同步信标方式，具有精度高，受目标运动速度影响小，计算量小，适于实时实现等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法，具体包括以下步骤：

步骤一、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航近似模型，公式如下

其中，(x,y,z)为目标位置，(x_i,y_i,z_i)为潜标位置，c为声速，t_i为目标到不同潜标的声信标传播时延，i为潜标编号；

步骤二、采用球交汇方法，对模型进行解算，获得目标位置的粗测结果，得到的粗测结果作为利用精确自导航模型解算时的初始条件，以其为几何中心划定区域作为优化算法的进化范围；

步骤三、利用目标与水下潜标之间的时延信息构建自主声学导航精确模型，公式如下

其中，v_x表示目标x方向的运动速度，v_y表示目标在y方向的运动速度；