[发明专利]一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法

说明书

本发明属于水下声学导航领域，具体公开了一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法。步骤1：基于水下高速平台运动条件，构建信标时延观测向量与平台位置、速度以及模糊周期向量之间的关系模型；步骤2：基于水下高速平台运动条件，构建多普勒观测向量与平台位置和速度之间的关系模型；步骤3：构建时空匹配声学导航目标函数；步骤4：基于步骤1的模型、步骤2的模型和步骤3的目标函数，利用遗传优化算法，进行平台位置、速度、模糊周期联合求解；步骤5：基于步骤4的求解，取其中的平台位置即为最终获得的导航结果。用以解决由于平台机动造成的时间维度与空间维度不匹配问题。

技术领域

本发明属于水下声学导航领域，具体涉及一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法。

背景技术

水下声学导航技术是利用声波与水下信标(水下星站节点)信息交互，进而确定水下机动平台的位置、姿态、速度等信息的技术。由于声波在水下良好的传播能力，声学导航技术逐渐在海洋调查、水下搜救、海洋环境监测、海底工程维修等诸多领域被广泛应用。精确的位置信息是水下自主航行器(Autonomous underwater vehicles,AUV)完成上述任务的基本保证。由于AUV机动速度越来越快的发展趋势，要求对AUV的航迹更新率(帧率)越来越高，即研究适用于高速机动AUV的高精度高帧率声学导航方法至关重要。

常用的AUV声学导航方法利用基于时延信息的几何模型进行位置交汇。由于AUV运动,信标在同一时刻发射的信号会在不同的空间位置和不同的周期被AUV接收，测得的时延与真实时延也可能会出现多个模糊周期，且信号传播时延值的大小会发生改变，即出现时间维度和空间维度的失配现象。平台运动速度越快、航迹测量帧率越高，该失配越严重。

发明内容

本发明提供一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法，用以解决由于平台机动造成的时间维度与空间维度不匹配问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法，所述导航方法包括以下步骤：

步骤1：基于水下高速平台运动条件，构建信标时延观测向量与平台位置、速度以及模糊周期向量之间的关系模型；

步骤2：基于水下高速平台运动条件，构建多普勒观测向量与平台位置和速度之间的关系模型；

步骤3：构建时空匹配声学导航目标函数；

步骤4：基于步骤1的模型、步骤2的模型和步骤3的目标函数，利用遗传优化算法，进行平台位置、速度、模糊周期联合求解；

步骤5：基于步骤4的求解，取其中的平台位置即为最终获得的导航结果。

一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法，所述步骤1具体为，平台运动条件下信标时延观测向量与平台位置u、速度以及模糊周期向量k之间的关系模型如下：

g(X,k)＝t-kT₀

其中，N为信标个数，j_i为接收第i个信标信号时所对应的帧序号，s_i表示信标位置，c为水中平均声速，T₀为系统的同步周期，ε_t为时延观测误差向量。

一种水下高速机动平台高帧率无模糊声学导航方法，所述步骤2具体为，平台运动条件下多普勒观测向量与平台位置、速度之间的关系模型如下：

其中，|| ||₂表示2范数，为不同信标的中心频率，ε_f为多普勒频移观测误差向量。