一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，包括：根据待测目标、测站数，将水下声学定位系统中的单圆锥构型扩展为多种组合的组合圆锥构型；对每种组合圆锥构型的GDOP从目标轨迹和目标运动区域两个方向进行求解和优化，得到目标轨迹全局最优GDOP和对应的组合圆锥构型半锥角角度、以及目标运动区域全局最优GDOP和对应的组合圆锥构型半锥角角度；由目标轨迹最优组合圆锥构型和目标运动区域最优组合圆锥构型确定水下声学定位系统的布站安排。该优化方法提高了水下目标的定位精度。水下目标的定位精度。水下目标的定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法


[0001]本专利技术涉及水下声学定位系统领域，具体涉及一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法。

技术介绍

[0002]随着海洋开发活动的深入，海域目标定位的需求从水面以上转变为水上、水下的全部海洋空间，水下目标高精度测量与定位成为试验任务中亟待解决的重要内容。由于电磁波在水中快速衰减的特性，卫星导航与定位系统无法直接用于水下目标的导航与定位。声波在海水中良好的传播特性使水下声学测量系统得到广泛应用。
[0003]水下目标声学定位精度取决于许多因素，包括测站测量精度、水下定位数据处理算法、水下定位系统几何精度因子(GDOP)。在水下定位系统中，由于测站均需布设在同一平面而导致共面约束，GDOP取不到理论最小值，复杂的水下环境导致了水下目标运动模型的不确定性，针对单点GDOP的构型优化已经不能满足高精度定位的需求。
[0004]近年来，元启发式算法在布站优化问题中逐渐得到广泛的应用，元启发式算法搜索的随机性，多数算法在应用到海底长基线定位系统布站优化问题时仍存在计算结果不稳定，容易陷入局部最优解，以及收敛效率低等问题。
[0005]综上所述，现有技术中存在以下问题：测站的共勉约束使GDOP取不到理论最小值；单点GDOP的构型优化不能满足高精度定位需求；当前多数元启发式算法应用到海底长基线定位系统布站优化问题上时，结果不稳定，容易陷入局部最优解，收敛效率低。

技术实现思路

[0006]为解决GDOP取不到最优解且定位精度不高收敛效率低的问题，本专利技术实施例提供一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法：
[0007]根据待测目标、测站数，将水下声学定位系统中的单圆锥构型扩展为多种组合的组合圆锥构型；由目标轨迹组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标轨迹GDOP；对所述每种组合圆锥构型的目标轨迹GDOP进行优化，得到每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP；由所述每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP得到目标轨迹全局最优GDOP；由所述目标轨迹全局最优GDOP对应的组合圆锥构型半锥角角度得到目标轨迹最优组合圆锥构型；由目标运动区域组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标运动区域GDOP；对所述每种组合圆锥构型的目标运动区域GDOP进行优化，得到每种组合圆锥构型的目标运动区域局部最优GDOP；由所述每种组合圆锥构型的目标运动区域局部最优GDOP得到目标运动区域全局最优GDOP；由所述目标运动区域全局最优GDOP对应的组合圆锥构型半锥角角度得到目标运动区域最优组合圆锥构型；根据所述目标轨迹最优组合圆锥构型和所述目标区域最优组合圆锥构型确定水下声学定位系统的布站安排。
[0008]在水下声学定位系统中，由于采用将传统单圆锥构型扩展为组合圆锥构型的技术手段，解决了受布站的共面约束影响，GDOP取不到理论最小值，且以待测目标为顶点的单圆
锥构型存在顶点GDOP无穷大的问题。因此在组合圆锥构型的优化中，以目标轨迹全局GDOP和目标运动区域全局GDOP为优化目标函数，利用加入了自适应步长以及加入生存竞争机制的粒子群算法对优化目标函数进行优化，通过优化结果得到最终的优化布站方式，与传统典型布站方法相比，改善了布站优化容易陷入局部最优、收敛速度慢的问题，解决了针对目标区域的最优布站问题。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1是本专利技术实施例一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法流程图；
[0011]图2是本专利技术一种实施例中的一种长基线定位系统示意图；
[0012]图3是本专利技术一种实施例中的一种单圆锥构型及其半锥角示意图；
[0013]图4是本专利技术一种实施例中的一种非圆锥模式布站示意图；
[0014]图5是本专利技术一种实施例中的一种组合圆锥构型示意图；
[0015]图6是本专利技术一种实施例中的一种组合圆锥构型的旋转示意图；
[0016]图7是本专利技术一种实施例中的一种基于自适应粒子群算法的布站构型优化流程图；
[0017]图8是本专利技术一种实施例中的一种测站分布与目标轨迹示意图；
[0018]图9a是本专利技术一种实施例中不同惯性因子APSO，以目标轨迹全局GDOP作为优化准则，第一种分解式迭代结果图；
[0019]图9b是本专利技术一种实施例中不同惯性因子APSO，以目标轨迹全局GDOP作为优化准则，第二种分解式迭代结果图；
[0020]图9c本专利技术一种实施例中不同惯性因子APSO，以目标轨迹全局GDOP作为优化准则，最优组合圆锥构型示意图；
[0021]图10是本专利技术一种实施例以目标轨迹全局GDOP作为优化准则，GD、PSO和APSO三种优化方法结果对比图；
[0022]图11a是本专利技术一种实施例以目标运动区域全局GDOP作为优化准则，第一种分解式迭代结果图；
[0023]图11b是本专利技术一种实施例以目标运动区域全局GDOP作为优化准则，第二种分解式迭代结果图；
[0024]图11c是本专利技术一种实施例以目标运动区域全局GDOP作为优化准则，最优组合圆锥构型示意图；
[0025]图12a是本专利技术一种实施例在实际湖测试验中，第一种分解式迭代结果图；
[0026]图12b是本专利技术一种实施例在实际湖测试验中，第二种分解式迭代结果图；
[0027]图12c是本专利技术一种实施例一种传统矩形构型示意图；
[0028]图12d是本专利技术一种实施例在第一种分解式下最优组合圆锥构型示意图。
[0029]附图标记表示为：目标轨迹11；测站12；直线距离13；实际声线14；标定船15；GNSS卫星16；
具体实施方式
[0030]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]下面结合具体的应用实例对本专利技术实施例上述技术方案进行详细说明，实施过程中没有介绍到的技术细节，可以参考前文的相关描述。
[0032]本专利技术是一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，如图1所示，所述优化方法包括：
[0033]根据待测目标、测站数，将水下声学定位系统中的单圆锥构型扩展为多种组合的组合圆锥构型；
[0034]如图2所示，水下声学定位系统主要由海底的测站12、安装在目标上的声信标以及标定船15组成。以水下机动目标测量为例，在海底布设三个以上的测站，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，包括：根据待测目标、测站数，将水下声学定位系统中的单圆锥构型扩展为多种组合的组合圆锥构型；由目标轨迹组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标轨迹GDOP；对所述每种组合圆锥构型的目标轨迹GDOP进行优化，得到每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP；由所述每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP得到目标轨迹全局最优GDOP；由所述目标轨迹全局最优GDOP对应的组合圆锥构型半锥角角度得到目标轨迹最优组合圆锥构型；由目标运动区域组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标运动区域GDOP；对所述每种组合圆锥构型的目标运动区域GDOP进行优化，得到每种组合圆锥构型的目标运动区域局部最优GDOP；由所述每种组合圆锥构型的目标运动区域局部最优GDOP得到目标运动区域全局最优GDOP；由所述目标运动区域全局最优GDOP对应的组合圆锥构型半锥角角度得到目标运动区域最优组合圆锥构型；根据所述目标轨迹最优组合圆锥构型和所述目标区域最优组合圆锥构型确定水下声学定位系统的布站安排。2.如权利要求1所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述组合圆锥构型由至少两个所述单圆锥构型组合而成；所述将水下声学定位系统中的单圆锥构型扩展为多种组合的组合圆锥构型，其方法包括：根据所述测站数形成至少两个所述单圆锥构型；将每个所述单圆锥构型相加得到组合圆锥构型。3.如权利要求1所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述对所述每种组合圆锥构型的目标轨迹GDOP进行优化得到每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP、以及所述对所述每种组合圆锥构型的目标运动区域GDOP进行优化得到每种组合圆锥构型的目标运动区域局部最优GDOP，都采用自适应粒子群算法；所述自适应粒子群算法是在粒子群算法中加入粒子移动的自适应步长以及生存和竞争机制。4.如权利要求3所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述每个粒子移动的自适应步长，是通过每个粒子当前时刻的位置、当前时刻的速度，当前时刻个体极值以及当前时刻局部极值得到；其中所述当前时刻个体极值是指针对目标轨迹内粒子所找到的最优解，所述局部极值是指针对一种组合圆锥构型在整个粒子群中找到的最优解。5.如权利要求1所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，每个所述单圆锥构型由目标点和至少3个测站组成，每个单圆锥构型上的测站设在同一水平面上且均匀分布在单圆锥构型的圆形底的圆周上。6.如权利要求1所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述由目标轨迹组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标轨迹GDOP，采用以下公式进行：
其中，Ω表示目标轨迹，GDOP
Ω
表示目标轨迹全局GDOP，n为测站数，Gn为测站数为n的组合圆锥构型，GDOP(Gn)表示单点定位的GDOP，w(X
(k)
)为位置X
(k)
处GDOP的权重，k为采样点，且满足7.如权利要求6所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述由目标运动区域组合圆锥构型的角度的函数，得到每种所述组合圆锥构型的目标运动区域GDOP，采用以下公式进行：其中，V表示目标运动区域，GDOP
V
表示目标运动区域全局GDOP。8.如权利要求3所述的一种组合圆锥构型的水下声学定位系统布站优化方法，其特征在于，所述对所述每种组合圆锥构型的目标轨迹GDOP进行优化，得到每种组合圆锥构型的目标轨迹局部最优GDOP，优化步骤如下：S301、对目标轨迹中每种所述组合圆锥构型，初始化自适应粒子群算法的参数，随机得到目标轨迹中每个粒子初始化位置；所述自适应粒子群算法的参数包括：比例系数、消...

【专利技术属性】
技术研发人员：周萱影，路宇，王炯琦，何章鸣，邢尧，周海银，张艺捷，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：