[发明专利]基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统

权利要求书

1.基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统，其特征在于，包括指挥控制分系统和多个无人艇定位分系统；每个无人艇设有1个无人艇定位分系统；

每个无人艇定位分系统配置1个水听器基阵单元，所有水听器基阵单元获得的信号都发送给指挥控制分系统进行处理，进而获取目标的位置；

指挥控制分系统包括阵型优化模块、控制管理模块、数据处理模块和第一数据通信模块；

阵型优化模块，用于对无人艇定位分系统的位置进行优化，并将阵型优化结果发送给控制管理模块；

控制管理模块，用于根据阵型优化结果向无人艇定位分系统发送无人艇控制命令；

数据处理模块，用于根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置；

第一数据通信模块，用于与无人艇定位分系统进行通信；

每个无人艇定位分系统均包括基阵自定位模块、目标信号检测模块、控制模块、水下数据传输模块和第二数据通信模块；

基阵自定位模块，用于确定水听器基阵单元的位置坐标，并发送给水下数据传输模块；

目标信号检测模块，用于通过水听器基阵单元获得目标的直达波信号，并发送给水下数据传输模块；

水下数据传输模块，用于将接收到的数据发送给第二数据通信模块；

控制模块，用于接收指挥控制分系统的无人艇控制命令，控制无人艇根据控制命令进行动作；

第二数据通信模块，用于与指挥控制分系统进行通信；

无人艇定位分系统至少为4个，选取其中4个，相应的4个水听器基阵单元分别为水听器基阵单元A、B、C、D；则数据处理模块根据水听器基阵单元的位置坐标和目标的直达波信号，利用几何交汇法确定目标的位置，具体包括以下步骤：

步骤一、将水听器基阵单元B、C、D的目标直达波信号与水听器基阵单元A做相关，得到目标发射信号到水听器基阵单元A的时间分别与目标发射信号到水听器基阵单元B、C、D的时间差τ₁₀、τ₂₀、τ₃₀；

步骤二、计算目标分别与水听器基阵单元A、B、C、D之间的直线距离：

则，

ΔR_i＝R_i-R₀＝cτ_i0， (i＝1,2,3) (2)

其中，R_i中i＝0，1,2，3，分别为目标与水听器基阵单元A、B、C、D之间的直线距离，ΔR_i中i＝1，2,3分别表示目标到水听器基阵单元A的距离与目标到水听器基阵单元B、C、D的距离之差，c为声速，水听器基阵单元A、B、C、D的坐标依次为(x₀,y₀,z₀)、(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)，目标的坐标为(x,y,z)；

步骤三、由方程(1)(2)可得

(x₀-x_i)x+(y₀-y_i)y+(z₀-z_i)z＝k_i+R₀ΔR_i (3)

其中，

式(3)可用矩阵表示如下：

GX＝F (5)

其中

X＝[x,y,z]^T (7)

令G为满秩矩阵，则

X＝(G^TG)^-1G^TF (9)

令

则目标位置三维坐标的最小二乘解可表示为：

其中

将公式(11)代入公式(1)中，令i＝0，整理可得

aR₀²+2bR₀+d＝0 (13)

其中

对方程(13)求解可以得到R₀，将R₀代入式(11)，可以得到(x,y,z)，即为目标的初始位置(x⁰,y⁰,z⁰)；

步骤四、将公式(2)在声源初始位置(x⁰,y⁰,z⁰)处展开，可得

其中

τ'₁₀，τ'₂₀和τ'₃₀是根据声学折射定律计算得到的位置(x₀,y₀,z₀)分别与(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)的时延差，Δτ₁₀、Δτ₂₀和Δτ₃₀分别为水听器基阵单元B、C、D的时延误差；ε₁、ε₂和ε₃是高阶小量；

利用线性方程组(15)求得的(Δx,Δy,Δz)，然后更新初始位置：

求解位置误差更新距离Δr：

当Δr小于设定阈值时，更新后的初始位置即为目标位置；

否则利用更新后的初始位置重复步骤四，直至Δr小于设定阈值时，得到目标位置。