基于深度约束和平滑的水下声学双程导航方法及系统

本发明属于水下导航领域，尤其涉及一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、lbl（long baseline，长基线）声学导航系统的原理是换能器发射询问声信号，应答器接收该信号并以声信号作出响应，换能器随后接收响应声信号。通过此过程，可以确定声信号从换能器到应答器的传播时间，结合声速剖面，计算出从换能器到应答器的直线观测距离，采用卡尔曼滤波实现水下运载体导航。海洋环境的复杂性使得声学观测数据容易受到各种误差因素的影响，这样导致观测数据质量下降，进而显著增加水下运载体的导航误差。

3、为提高水下运载体的导航精度，现有技术通过sage-husa噪声估计技术，算法能够在线补偿未知系统噪声，提高滤波器在动态变化环境下的适应性，同时利用基于huber等价权重函数的等效增益矩阵，能有效地抵抗声学观测中的粗差，提高定位的可靠性；然而，在实际应用中需要考虑其计算复杂度、参数调整和对模型准确性的依赖等局限性。另外，也有研究通过获得海底基准网数据估计的系统误差，并基于傅里叶变换提取系统误差的主周期项，然后采用多项式拟合法构建系统误差修正模型，构建系统误差修正的水声导航增强观测方程，最终设计一种用于水声导航的自适应稳健卡尔曼滤波器用以提高声学导航观测精度；然而，该方法未考虑到水下双程导航的系统误差，仍无法保障水下双程导航的精度。

4、综上所述，传统的水下长基线声学导航方法具有计算复杂度、参数调整和对模型准确性的依赖等局限性，未考虑到水下双程导航的系统误差，无法保障水下双程导航的精度。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航方法及系统，其能够提高测距精度，减少导航误差。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面提供一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航方法。

4、一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航方法，其包括：

5、基于长基线声学导航原理，在地心地固坐标系下，构建水下声学双程导航函数模型；

6、利用位置精度因子确定出最优约束信息，再结合换能器吃水深度，得到换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标；

7、基于换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标和吃水深度、海底应答器在地心地固坐标系中的坐标以及声速剖面，确定出声速计算约束；

8、结合加入深度约束的测量噪声的约束量测方程，在声速计算约束下对水下声学双程导航函数模型进行求解，得到约束后的声学导航结果；

9、采用rts平滑方法对约束后的声学导航结果进行后向平滑，将后向平滑后的结果作为最终的声学导航结果。

10、作为一种实施方式，利用位置精度因子确定出最优约束信息的过程为：

11、计算当前历元水下运载体的位置精度因子，并与之前的最优位置精度因子进行对比，如果当前的位置精度因子低于之前的最优位置精度因子，则用包含信号发射点换能器垂直坐标和吃水深度的当前约束信息替换最优约束信息；否则，确定出最优约束信息。

12、作为一种实施方式，水下声学双程导航函数模型为：

13、

14、式中，为第个历元的编号，为第个应答器编号；为信号发射时安装在运载体底部换能器的坐标，为信号接收时换能器的坐标位置；为固定在海底的应答器的坐标，为已知值；为声速误差引起的测距误差，为时延误差引起的测距误差，为测距的测量噪声；为换能器与应答器之间往返距离的测量值；为信号发射时换能器与应答器之间的理论几何距离，为信号接收时的理论几何距离。

15、作为一种实施方式，换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标为：

16、

17、式中，和分别为最优约束信息中的换能器纵坐标和吃水深度；为第个历元时的信号发射或接收处换能器吃水深度；为第个历元时的信号发射或接收处换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标。

18、作为一种实施方式，通过加权平均声速法确定出声速计算约束：

19、

20、式中，表示加权平均声速，表示换能器与应答器之间的深度差，表示声速剖面内的层数，表示声速值；表示深度值，的下标和分别表示声速剖面的第层和第层。

21、作为一种实施方式，加入深度约束的测量噪声的约束量测方程为：

22、

23、式中，为换能器在地心地固坐标系中的预测垂直坐标误差；，为从第个历元到第个历元过程的信号发射点处换能器预测的在地心地固坐标系中的垂直坐标；为第个历元时的信号发射或接收处换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标；；为深度约束的测量噪声；是第个历元的状态估计向量；为对换能器在信号发射时的状态预测矢量的调整；是常数项；是设计矩阵；是噪声。

24、本发明的第二个方面提供一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航系统。

25、一种基于深度约束和平滑的水下声学双程导航系统，其包括：

26、双程导航模型构建模块，其基于长基线声学导航原理，在地心地固坐标系下，构建水下声学双程导航函数模型；

27、约束垂直坐标计算模块，其利用位置精度因子确定出最优约束信息，再结合换能器吃水深度，得到换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标；

28、声速计算约束确定模块，其用于基于换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标和吃水深度、海底应答器在地心地固坐标系中的坐标以及声速剖面，确定出声速计算约束；

29、声学导航结果约束模块，其用于结合加入深度约束的测量噪声的约束量测方程，在声速计算约束下对水下声学双程导航函数模型进行求解，得到约束后的声学导航结果；

30、rts平滑模块，其采用rts平滑方法对约束后的声学导航结果进行后向平滑，将后向平滑后的结果作为最终的声学导航结果。

31、作为一种实施方式，在所述约束垂直坐标计算模块中，利用位置精度因子确定出最优约束信息的过程为：

32、计算当前历元水下运载体的位置精度因子，并与之前的最优位置精度因子进行对比，如果当前的位置精度因子低于之前的最优位置精度因子，则用包含信号发射点换能器垂直坐标和吃水深度的当前约束信息替换最优约束信息；否则，确定出最优约束信息。

33、作为一种实施方式，在所述双程导航模型构建模块中，水下声学双程导航函数模型为：；

34、式中，为第个历元的编号，为第个应答器编号；为信号发射时安装在运载体底部换能器的坐标，为信号接收时换能器的坐标位置；为固定在海底的应答器的坐标，为已知值；为声速误差引起的测距误差，为时延误差引起的测距误差，为测距的测量噪声；为换能器与应答器之间往返距离的测量值；为信号发射时换能器与应答器之间的理论几何距离，为信号接收时的理论几何距离。

35、作为一种实施方式，在所述约束垂直坐标计算模块中，换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标为：

36、

37、式中，和分别为最优约束信息中的换能器纵坐标和吃水深度；为第个历元时的信号发射或接收处换能器吃水深度；为第个历元时的信号发射或接收处换能器在地心地固坐标系中的约束垂直坐标。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

39、本发明基于长基线声学导航原理，构建水下声学双程导航函数模型，使得该模型与水下声学导航的“询问-响应-接收”模式一致，减少了由模型引起的导航系统误差；还利用位置精度因子搜索最优约束信息，对声速计算及进行约束换能器在地心地固坐标系中的垂直坐标进行约束，扩展了约束信息，提高了约束信息的准确性和可靠性，减少了导航误差，实现了更精确的导航。

40、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。