[发明专利]一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法

说明书

技术领域

本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

背景技术

目前对于水上目标的定位通常采用卫星技术为主的技术手段(GPS系统、伽利略系统、北斗系统等)，辅以惯性及其它定位技术。当目标处于水下时，由于水介质对无线电波的强烈吸收作用，限制了卫星定位的应用。此时，以声波作为信息载体的水声定位技术成为主要选择，不但能完成对目标的定位、导航，还能作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。

水声定位技术最先应用于军事，后由于海洋开发、勘探、资源开采的需求逐步应用于各类商用、民用工程。它能够提供海底勘查设备如ROV(Remotely Operated Vehicle)和AUV(Autonomous Underwater Vehicle)等重要的定位、导航和通信支撑。通过在水面工作船只、水下移动平台以及作业海区上加装和布放声学定位设备，可实现水面对水下目标位置的实时监控、水面与水下平台的信息交互，是海洋科学考察、海洋资源勘探、海洋资源开发、深海空间站建设等工程的必备手段。

传统的水声定位系统常用的是长基线和超短基线。定位误差有界且不会累积，能够实现对水下载体的高精度定位而获得了广泛的应用。在长时间、大范围和远距离的定位需求的应用背景下，基于单信标测距的定位技术是水声定位技术的一个新的研究方向，它是传统水声定位系统组合化和简约化的结合。简约化是因为它只需要在海底布放一个声信标，提高了使用便捷性和作业效率；组合化是因为它将声学测距定位设备与载体运动传感器组合使用。常规的解算方法基于的是卡尔曼滤波，但该算法存在受滤波参数和位置初值影响严重的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决常规的基于卡尔曼滤波的解算方法受滤波参数和位置初值影响严重问题的基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，其具体的实现步骤包括：

(1)根据坐标系旋转理论，将水下目标在载体坐标系中的运动参数转化为大地坐标系中的运动参数；

(2)根据水下目标大地坐标系中的运动参数和实际布放的信标建立虚拟测距信标；

(3)根据虚拟测距信标位置和单信标测距信息建立观测方程，建立虚拟长基线定位的概念；

(4)对单信标测距观测方程组成的定位方程组求解，得到目标在大地坐标系中位置。

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(1)的具体实现步骤包括：

(1.1)将声学测距系统的测距仪安装在水下目标平台上，将声信标通过锚系结构布放与水底，预先标定得到信标在大地坐标系下的地理位置AT；

(1.2)将载体坐标系安装在水下目标上，在载体坐标系下测量水下目标的运动参数，在大地坐标系下测量水底声信标的位置；

(1.3)测量载体坐标系与大地坐标系之间的夹角，得到水下目标的姿态角，其中水下目标的姿态角包括航向角ψ、俯仰角θ和横滚角

(1.4)通过水下目标的姿态角计算水下目标的旋转角

(1.5)通过旋转矩阵将载体坐标系{B}变换到大地坐标系{L}，

对于一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法，所述的步骤(2)的具体实现步骤包括：

(2.1)通过载体坐标系测量得到水下目标的运动速度为^Bv_b＝(v_f,v_r,v_v)^T，由步骤(1)得到载体坐标系变换到大地坐标系的旋转矩阵

(2.2)根据水下目标的运动速度^Bv_b及载体坐标系变换到大地坐标系的旋转矩阵得到水下目标在大地坐标系下的运动速度^Lv_b，

(2.3)测量不同测距周期T下水下目标的坐标位置以及水下目标至水底布放的单只声信标的测量距离，根据测量的数据建立对应的声学测距观测方程；

(2.4)根据水下目标工作时的运动参数，测量第i个测距周期T_i的水下目标在大地坐标系下的速度^Lv_bi，计算得到相邻测距周期水下目标的位置关系；