一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法技术

本发明专利技术涉及一种超短基线安装角度偏差无偏估计方法。本发明专利技术是要解决当无法获取作业声速剖面时，由于声线传播弯曲导致波达方位与目标方位之间产生偏差，而引起超短基线安装角度估值偏差，从而降低超短基线安装角度偏差估计计算的精度的问题，而提出的一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法。该方法是通过一、采集超短基线USBL定位数据；二、得到估计残差向量三、找到标准差统计值中最小值四、得到安装角度偏差估计值等步骤实现的。本发明专利技术应用于超短基线安装角度偏差无偏估计领域。本方法由于减小了声线弯曲对水平及垂向的安装偏角估计的影响，进而减小了超短基线安装角度估值偏差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法
本专利技术涉及一种超短基线安装角度偏差无偏估计方法。
技术介绍
超短基线的安装误差校准是超短基线声学定位设备提供定位服务前必须进行的作业之一，校准准确度直接关系到系统的定位精度。安装角度偏差估计的无偏性表征估计结果是否偏离真值，是衡量估计结果准确性的重要特征之一。在影响估值准确性的诸多误差源中，声线传播弯曲引入的误差是主要因素。其主要原因为声线传播弯曲会导致波达方位与目标方位之间产生偏差,并且这种情况会引起超短基线安装角度估值的偏差；因此一般需要通过获取声速剖面数据修正该偏差。然而在实际中因条件限制可能无法获取作业当时的声速剖面，从而无法保证超短基线安装角度偏差估计计算的精度，因而需要一种在此作业条件下能够补偿声线弯曲对估计无偏性影响的超短基线安装误角度偏差估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决当无法获取作业声速剖面时，由于声线传播弯曲导致波达方位与目标方位之间产生偏差，而引起超短基线安装角度估值偏差，从而降低超短基线安装角度偏差估计计算的精度的问题，而提出的一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：（1）装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹采集超短基线定位数据；（2）将改变的无偏估计参数及规定对称航迹采集超短基线定位数据代入建立的超短基线安装角度偏差无偏估计方程，进行迭代计算超短基线安装角度偏差，得到估计残差向量记录每一次的估计残差向量其中i=1,2,3…..表示迭代次数；（3）将记录每一次估计残差向量进行标准差统计，找到标准差统计值中最小值（4）将标准差统计值中最小值对应的安装偏差结果α、β和γ作为最终的安装角度偏差估计值，完成对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计。步骤（1）所述装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹采集超短基线定位数据具体过程为：（1.1）装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹具体为：船只以水下应答器在水面投影位置为圆心，以圆航迹为半径，围绕应答器以对称标准圆航迹行进；其中所述的圆航迹半径与应答器深度相同；应答器的深度为应答器声学换能器与水面的距离值；（1.2）通过船只装载的超短基线系统及根据应答器的声学应答定位应答器的坐标值，同步记录船只的大地坐标、船只的大地艏向方位角以及船只的姿态数据；（1.3）通过超短基线定位系统测得的水下信标的基阵坐标通过GPS测量结果转换得到的超短基线声学基阵的大地坐标通过罗经测量得到的船只艏向heading、船只纵摇pitch和船只横滚roll；据此标定出水下应答器的大地绝对位置，并计算出船只-大地的坐标转换矩阵其中A表示船只艏向角，κ表示船只纵摇角，表示船只横滚角，各角度的定义参照船舶通信导航规范；为基阵-船只的坐标转换矩阵，包含待求超短基线安装误差α、β和γ，其形式如下：其中α代表超短基线安装艏向误差、β纵摇误差、γ横摇误差，各角度的定义类比船舶通信导航规范的船只姿态角。步骤（2）所述将改变的无偏估计参数为：在范围校准去偏量δ∈(δmin,δmax)中改变校准去偏量δ，并且校准去偏量δ在范围δ∈(δmin,δmax)内逐步递增，设定δ的搜索初值δmin，将设定δ的搜索初值为δmin递增去偏量δ值遍历搜索范围直至δmax，从而得到改变的无偏估计参数其中，δmin为下限应答器深度/10，δmax为上限应答器深度/10。步骤（2）所述将改变的校准去偏量δ规定对称航迹采集超短基线USBL定位数据代入建立的超短基线安装角度偏差无偏估计方程；进行迭代计算超短基线安装角度偏差，获得并记录每一次估计残差向量的过程为：（2.1）将超短基线定位数据和分别带入超短基线安装角度偏差无偏估计方程：其中为方程无偏估计参数，为估计残差向量，为水下信标的大地坐标，为水下信标的基阵坐标，通过超短基线定位系统测得，为超短基线声学基阵的大地坐标，通过GPS测量结果转换得到，为船只-大地的坐标转换矩阵，通过罗经测量数据计算得到，为基阵-船只的坐标转换矩阵，包含待求超短基线安装误差；（2.2）将δmin及每一次更新δ的值改变的无偏估计方程的无偏估计参数分别重复代入超短基线安装角度偏差无偏估计方程中，记录每一次改变无偏估计参数后得到的估计残差向量其中i（i=1,2,3…..）表示迭代次数。步骤（3）将记录每一次估计残差向量进行标准差统计，找到标准差统计值中最小值的过程为：将记录的每一次改变无偏估计参数后的估计残差向量进行统计学求取标准差，得到每一次的估计残差L，并且记录每一次的估计残差找到各次估计残差向量标准差统计值中最小值其中表示将估计残差量根据统计学求取标准差。步骤（4）中将对应的安装偏差结果α、β和γ作为最终的安装角度偏差估计值的过程为：（4.1）利用高斯牛顿非线性方程求解方法，求解标准差统计值中最小值对应的超短基线安装误差α、β和γ；（4.2）将对应的安装偏差结果α、β和γ作为最终的安装角度偏差估计值；至此完成为超短基线安装角度偏差的计算。本专利技术的有益效果在于：本专利技术公开了一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法，该方法是由声线弯曲引起有偏参数估计方法。本方法无需声速剖面信息，直接利用测量航迹的对称性减小声线传播弯曲导致波达方位与目标方位之间产生偏差，从而减小了声线弯曲对水平安装偏角估计的影响，并且通过向超短基线安装角度估计方程中引入垂向去偏量减小声线弯曲对垂向安装偏角估计的影响。本方法由于减小了声线弯曲对水平及垂向的安装偏角估计的影响，进而减小了超短基线安装角度估值偏差。本专利技术适合在无法获取声速剖面数据或声速剖面测量误差较大时，通过对称航迹以及无偏估计方程的手段消除声线弯曲对安装误差估计的有偏影响，提高估计结果的准确性优于0.05度，并且本专利技术提高了超短基线系统定位精度，提高的超短基线系统定位精度达到千分之0.8斜距。附图说明图1是具体实施方式一中提出的一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法，其特征在于：（1）装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹采集超短基线定位数据；（2）将改变的无偏估计参数及规定对称航迹采集超短基线定位数据代入建立的超短基线安装角度偏差无偏估计方程，进行迭代计算超短基线安装角度偏差，得到估计残差向量记录每一次的估计残差向量其中i=1,2,3…..表示迭代次数；（3）将记录每一次估计残差向量进行标准差统计，找到标准差统计值中最小值LF=min{std(L→i)};]]>（4）将标准差统计值中最小值对应的安装偏差结果α、β和γ作为最终的安装角度偏差估计值，完成对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计。

【技术特征摘要】
1.一种基于对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计方法，其特征在于：(1)装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹采集超短基线定位数据；(2)将改变的无偏估计参数及以规定对称航迹采集的超短基线定位数据代入建立的超短基线安装角度偏差无偏估计方程，进行迭代计算超短基线安装角度偏差，得到估计残差向量记录每一次的估计残差向量其中i＝1,2,3…表示迭代次数；(3)将记录的每一次的估计残差向量进行标准差统计，找到标准差统计值中最小值(4)将标准差统计值中最小值对应的安装偏差结果α、β和γ作为最终的安装角度偏差估计值，完成对称测线的超短基线安装角度偏差无偏估计；步骤(1)所述装载超短基线系统的船只围绕应答器以规定对称航迹采集超短基线定位数据具体过程为：(1.1)船只以水下应答器在水面投影位置为圆心，围绕应答器以对称标准圆航迹行进；其中所述的圆航迹半径与应答器深度相同；应答器的深度为应答器声学换能器与水面的距离值；(1.2)通过船只装载的超短基线系统及根据应答器的声学应答定位应答器的坐标值，同步记录船只的大地坐标、船只的大地艏向方位角以及船只的姿态数据；(1.3)通过超短基线定位系统测得水下信标的基阵坐标；通过GPS测量结果转换得到超短基线声学基阵的大地坐标；通过罗经测量得到船只艏向、船只纵摇和船只横滚；标定出水下应答器的大地绝对位置，并计算出船只-大地的坐标转换矩阵其中A表示船只艏向角，κ表示船只纵摇角，表示船只横滚角，各角度的定义参照船舶通信导航规范；为基阵-船只的坐标转换矩阵，包含待求超短基线安装误差α、β和γ，其形式如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大军，郑翠娥，李昭，张居成，张殿伦，勇俊，李想，王永恒，韩云峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23