一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，选取GDOP、HDOP和VDOP中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，评估方法如下：确定长基线声信标几何布局方案；对预投放三维空间区域划分网格点；计算声信标与指定网格点的空间三维距离；计算声信标与指定网格点的观测矩阵H；计算指定网格点的与声信标的权系数矩阵Q；计算指定网格点的评估参数值；计算其他网格点的评估参数值；对长基线声信标几何布局进行评估；根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。本发明专利技术可以从系统层面上评估长基线水声定位系统声信标的空间几何分布是否满足用户需求，从而可以指导长基线水声定位系统声信标布放的空间位置。

A method for performance evaluation of long baseline acoustic positioning system

The present invention provides a method for evaluating the performance of long baseline acoustic positioning system. One or several items in GDOP, HDOP and VDOP are selected as evaluation parameters to evaluate the performance of long baseline underwater acoustic positioning system. The evaluation method is as follows: to determine the geometric layout of the long baseline sound beacon, and to put the three dimensional space into the area. Divide the grid points; calculate the three-dimensional distance between the sound beacon and the specified grid point; calculate the observation matrix H of the sound beacon and the designated grid point; calculate the weight matrix Q of the specified mesh point and the sound beacon; calculate the evaluation parameter values of the designated grid points; calculate the evaluation parameter values of the other grid points; and the long baseline sound beacon geometry. According to the evaluation results, we choose whether we need to change the beacon layout. This invention can evaluate the spatial geometric distribution of the sound beacon of the long baseline underwater acoustic positioning system from the system level, and can guide the space position of the sound beacon distribution of the long baseline underwater acoustic positioning system.

【技术实现步骤摘要】
一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法
本专利技术涉及水下定位导航领域，具体涉及一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法。
技术介绍
地表目标的定位通常采用卫星定位系统作为基本的技术手段，惯性定位导航技术为辅助的方式。但当目标处于水下时，由于水对无线电波的强烈吸收，导致目标无法利用卫星导航系统等地表成熟的导航方法；而传统常用的惯性定位导航系统的误差随时间增加而大量累积。因此，深海航行器在水下长时自主运行时，需要使用声波作为信息载体来进行水声定位技术，从而作为惯性定位导航技术的有效辅助校准手段。水声定位技术现已经成功应用于军事、商用、民用工程。它能够为水下潜水器，如AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)等重要的定位、导航工作进行支撑。通过在作业海区的水面工作母船或者其他水下平台加装和布放声学定位设备，实现水面对水下目标位置的实时监控从而完成海洋科学考察、海洋资源勘探及开发、深海空间站建设等大工程。根据定位系统基线长度的差别，一般将其划分为长基线水声定位系统、短基线水声定位系统和超短基水声定位系统。本专利技术针对长基线水声定位系统，因此重点介绍长基线水声定位系统。长基线水声定位系统的基线一般在几百米到数千米的量级上，具有作用距离远、定位精度高等优点，主要应用于水下载体定位、海底电缆铺设、海上石油勘探等方面。通过测量载体到相对/绝对位置已知的海底应答器的相对距离，采用距离交汇的方法解算目标坐标。现有针对长基线水声定位系统的研究主要集中在抗多径、抗距离模糊、声线修正、信号设计优化等如何开发出传感器误差更小的产品上，鲜有研究关注如何定量分析如何评估长基线水声定位系统的性能。因此，本专利技术将长基线水声定位系统的性能与GDOP、HDOP和VDOP等指标联系起来，对长基线水声定位系统的性能评估，从而优化长基线水声定位系统的声信标布局方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，以解决上述问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，选取GDOP、HDOP和VDOP中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，其评估方法步骤如下：S1.根据声信标数目N，确定长基线声信标几何布局方案；S2.根据空间采样分辨率，对预投放的三维空间区域进行网格点划分；S3.计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离；S4.计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H；S5.计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q；S6.计算所述指定网格点的评估参数值；S7.重复步骤S3～S6，计算其他网格点的评估参数值；S8.选择合适的评估参数，对步骤S1中所确定的长基线声信标几何布局进行评估；S9.根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。进一步的，步骤S1中，所述声信标数目N必须大于或等于3，所述长基线声信标几何布局方案为同一平面的正N边形布局。进一步的，步骤S2中，通过下列方法计算网格点数目M：当所述预投放的三维空间区域为规则几何图形时，采用下列公式计算所划分的网格点数目M：式中，a为预投放区域的长度值，b为预投放区域的宽度值，c为预投放区域的深度值，D1为预投放区域在长度上的空间采样分辨率，D2为预投放区域在宽度上的空间采样分辨率，D3为预投放区域在深度上的空间采样分辨率。当预投放的三维空间区域为不规则几何图形时，同样采用式(1)，按能将所述不规则图形包含在内的最小长方体计算所划分的网格点数目M，如果某一网格点正好处于声信标坐标，此时需要使用其他N-1个声信标坐标对此网格点进行评估。进一步的，步骤S3中，根据下列公式计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离：式中，xi、yi、zi为第i个声信标的三维坐标(xi，yi，zi)，di为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。进一步的，步骤S4中，采用下列方法计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H：所述声信标空间位置与指定网格点空间位置不处于同一平面时，采用下式计算观测矩阵H：式中，xi、yi、zi为第i个声信标的三维坐标(xi，yi，zi)，di为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。进一步的，所述声信标空间位置与指定网格点空间位置处于同一平面，即zi等于z时，采用下式计算观测矩阵H：xi、yi、zi为第i个声信标的三维坐标(xi，yi，zi)，di为第i个声信标与指定网格点的空间三维距离，其中，i取1、2、3、…、n，x、y、z为指定网格点的三维坐标(x，y，z)。进一步的，步骤S5中，根据下列公式计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q：进一步的，步骤S6中，采用下列公式计算所述指定网格点的评估参数GDOP、HDOP和VDOP值：进一步的，所述声信标三维位置与指定网格点三维位置不处于同一平面时，选择评估参数GDOP、HDOP及VDOP对长基线水声定位系统声信标布局进行评估。进一步的，所述声信标三维位置与指定网格点三维位置处于同一平面时，只选择评估参数HDOP对长基线水声定位系统声信标布局进行评估。与现有技术相比，本专利技术达到的有益效果如下：本专利技术提供的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，在预设计及投放海底声信标前采用GDOP(GeometricDilutionOfPrecision，几何精度因子)、HDOP(HorizontalDilutionOfPrecision，水平精度因子)和VDOP(VerticalDilutionOfPrecision，垂直精度因子)作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，从而确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，该评估方法填补了我国对长基线水声定位领域的一项研究空白，其实用性强，具有十分重要的科研与实用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1提供的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法流程图。图2为本专利技术实施例1提供的，c取350m时，指定区域的GDOP值及其等高线。图3为为本专利技术实施例1提供的，c取400m时，指定区域的GDOP值及其等高线。图4为本专利技术实施例1提供的，c取450m时，指定区域的GDOP值及其等高线。图5为本专利技术实施例1提供的，c取350m时，指定区域的HDOP值及其等高线。图6为本专利技术实施例1提供的，c取400m时，指定区域的HDOP值及其等高线。图7为本专利技术实施例1提供的，c取450m时，指定区域的HDOP值及其等高线。图8为本专利技术实施例1提供的，c取350m时，指定区域的VDOP值及其等高线。图9为本专利技术实施例1提供的，c取400m时，指定区域的VDOP值及其等高线。图10为本专利技术实施例1提供的，c取450m时，指定区域的VDOP值及其等高线。图11为本专利技术实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，选取GDOP、HDOP和VDOP中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，其评估方法步骤如下：S1.根据声信标数目N，确定长基线声信标几何布局方案；S2.根据空间采样分辨率，对预投放的三维空间区域进行网格点划分；S3.计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离；S4.计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H；S5.计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q；S6.计算所述指定网格点的评估参数值；S7.重复步骤S3～S6，计算其他网格点的评估参数值；S8.选择合适的评估参数，对步骤S1中所确定的长基线声信标几何布局进行评估；S9.根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。

【技术特征摘要】
1.一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，选取GDOP、HDOP和VDOP中的一项或者几项作为评估参数，对长基线水声定位系统性能进行评估，确定长基线水声定位系统声信标布局是否合理，其评估方法步骤如下：S1.根据声信标数目N，确定长基线声信标几何布局方案；S2.根据空间采样分辨率，对预投放的三维空间区域进行网格点划分；S3.计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离；S4.计算所述声信标与指定网格点之间的观测矩阵H；S5.计算所述指定网格点的与声信标之间的权系数矩阵Q；S6.计算所述指定网格点的评估参数值；S7.重复步骤S3～S6，计算其他网格点的评估参数值；S8.选择合适的评估参数，对步骤S1中所确定的长基线声信标几何布局进行评估；S9.根据评估结果，选择是否需要更改声信标布局。2.根据权利要求1所述的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，步骤S1中，所述声信标数目N必须大于或等于3，所述长基线声信标几何布局方案为同一平面的正N边形布局。3.根据权利要求1所述的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，步骤S2中，通过下列方法计算所划分的网格点数目M；当所述预投放的三维空间区域为规则几何图形时，采用下列公式计算所划分的网格点数目M：式中，a为预投放区域的长度值，b为预投放区域的宽度值，c为预投放区域的深度值，D1为预投放区域在长度上的空间采样分辨率，D2为预投放区域在宽度上的空间采样分辨率，D3为预投放区域在深度上的空间采样分辨率。当预投放的三维空间区域为不规则几何图形时，同样采用式(1)，按能将所述不规则图形包含在内的最小长方体计算所划分的网格点数目M，如果某一网格点正好处于声信标坐标，此时需要使用其他N-1个声信标坐标对此网格点进行评估。4.根据权利要求1所述的一种用于长基线水声定位系统性能评估的方法，其特征在于，步骤S3中，根据下列公式计算所述声信标与指定网格点的空间三维距离：式中，xi、yi、zi为第i个声信标的三维坐标(xi，yi，zi)，di为第i个声信标与指定网格点的空...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕成财，沈斌坚，阳宁，郭新新，张胜宗，周皓，王晨，
申请(专利权)人：中国科学院深海科学与工程研究所，
类型：发明
国别省市：海南,46