[发明专利]一种可估计未知有效声速的自适应水下单信标定位方法

说明书

本发明属于水下定位技术领域，特别涉及一种水下航行器的单信标定位方法。水下航行器未接收到周期性水声信号时，通过配备的电子罗盘、深度计及读取螺旋桨转速进行航位推算，在接收到多普勒测速仪测得的绝对速度观测后构造海流速度观测量并通过Kalman滤波进行海流速度校正；水下航行器接收到水声信号后，考虑水下声速的未知性及声速不确定性噪声参数的未知性，将未知水声声速建模为均值及方差均未知的Gauss分布，基于扩展Kalman滤波及变分贝叶斯近似，以水声信号传递时间为观测变量，进行水下航行器的位置更新。相比于基于声速不确定性统计参数完全已知的水下单信标定位方法，本发明所提出方法可以更好的跟踪水声声速变化的趋势，进而得到更好的定位结果。

技术领域

本发明属于水下定位技术领域，特别涉及一种水下航行器的单信标定位方法。

背景技术

精确的位置反馈是水下航行器完成既定水下任务的基础。由于水下电磁波信号衰减较快，广泛应用于陆地与天空定位的GNSS系统在水下无法应用。现有主流的水下定位方式包括以惯性导航为代表的航位推算方法以及以长基线定位为代表的水下声学定位方法。其中惯性导航设备往往会随时间增长产生较大累计误差，无法长时间用于水下定位，而高精度的惯性导航设备成本极高，限制了其在水下航行器中的应用。现有主流的水下声学定位方式包括长基线定位、超短基线定位、单信标定位等。长基线定位与超短基线定位发展均较为成熟，但其成本通常较高，且实时性通常较差，这限制了其在水下航行器中的应用。而新兴的水下单信标定位系统融合航位推算数据与单水声信标的测距信息，在定位成本和实时性方面均有较大的优势。水声测距是通过检测水声信号的传递时间乘以水声声速获得。目前的水下单信标定位方法通常假设水声声速完全已知，但实际的水声声速收到水域温度、盐度、密度、水深等因素的影响，通常为时变未知的。水声声速的设置误差会导致测距误差，进而会影响单信标定位系统定位精度。而现有基于未知有效声速的水下单信标定位方法均将有效声速不确定性建模为均值和方差均已知的Gauss分布。但在实际的水下定位当中，受到水下多变环境的影响，水声声速不确定性的统计参数通常为时变的，且无法准确获得。而噪声统计参数设置不准确会恶化定位系统的性能，甚至可能会导致滤波发散，在这种情况下，传统的基于已知噪声参数的Gauss分布对水声声速不确定性进行建模的单信标定位方法的定位性能会受到影响，这会影响其实际应用。

发明内容

本发明的目的是：针对水下单信标定位当中水声声速的未知性及其不确定性统计参数的未知性，结合扩展Kalman滤波与变分贝叶斯近似提出一种可估计未知有效声速的自适应水下信标定位方法。

本发明的技术方案是：一种可估计未知有效声速的自适应水下单信标定位方法，水下航行器搭载水听器、多普勒测速仪、深度计、电子罗盘及GPS；水声信标周期性广播水声信号，水下航行器通过所搭载的多普勒测速仪周期性的观测其绝对速度；水下航行器通过GPS获取初始位置，并且通过读取自身螺旋桨转速获得航行器与水的相对速度。水下航行器未接收到水声信号时通过自身携带的电子罗盘及读取自身螺旋桨转速信息进行航位推算；水下航行器在接收到多普勒测速仪提供的绝对速度观测时，通过结合螺旋桨转速信息及电子罗盘信息构造海流观测变量，基于Kalman滤波进行海流速度更新；水下航行器接收到水声信号后，考虑水下声速的未知性以及声速不确定性噪声参数的未知性，将未知水声声速建模为均值及方差均未知的Gauss分布，基于扩展Kalman滤波算法及变分贝叶斯近似，以水声信号传递时间为观测变量，进行水下航行器的位置更新。本发明的步骤包括：

A.以定位区域内任意点为原点，东、北、天三个方向分别设为x，y，z轴，建立水下局部惯性坐标系；

B.通过水下航行器所搭载的GPS系统获取该所述水下航行器在水下局部惯性系当中的初始位置；

C.建立所述水下航行器的运动学模型以及观测模型并进行离散化；

D.建立有效声速及其不确定性统计参数的随机模型以及函数模型；