[发明专利]一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法

权利要求书

1.一种基于水下机动平台的未知周期声信标高精度定位方法，其特征在于，所述定位方法包括以下步骤：

步骤1：估计信号到达时间及周期号：通过信号处理技术估计信号到达时间t₁、t₂、t₃、t₄；对于CW脉冲信号，采用Notch滤波器进行高精度信号到达时间估计；对于LFM信号，采用匹配滤波器进行高精度信号到达时间估计；通过周期号精确判别技术，去除漏警虚警，实现对信号周期号的精确估计；

步骤2：选择定位周期并计算二阶时延差：根据水下机动平台航路确定定位点距离，并依照此距离等间隔选取参与定位解算的定位周期；选取好定位周期后，计算二阶时延差信息；

步骤3：利用二阶时延差进行定位解算：根据二阶时延差信息建立定位解算方程组；由于定位解算方程为非线性方程组，采用牛顿迭代算法对方程组进行求解并最终获得声信标的位置坐标；

所述步骤1中信号处理技术包括：

对于CW脉冲信号，采用notch滤波器估计信号到达时间，s(t)为接收信号；x_s(t)及x_c(t)为两路正交参考信号；u_s及u_c为迭代权值；y(t)为滤波器输出；ε(t)为残差输出；则信号到达时间的估计为Notch滤波器输出y(t)超过门限σ的时刻即：

对于LFM信号，采用匹配滤波器估计信号到达时间；假设声信标发射脉冲信号为g(t)，则匹配滤波器输出为：

相应的，信号到达时间为匹配滤波器输出峰值位置减去脉冲宽度，即：

式中：τ为信号脉冲宽度；

所述步骤1为减少接收信号的周期估计误差，用以下判决逻辑以补偿漏警和虚警所引起的估计误差：

式中：α为判决门限，通常设为0.9；t_s为信号周期；

所述步骤2具体为：在利用水下机动平台进行声信标精确定位时，通常围绕声信标行驶圆形轨迹，精度分析结果表明，当四个样本构成圆形轨迹的内接正方形时，定位精度最高；所以，所挑选的参与定位解算样本之间的轨迹距离应为：

式中：r为圆形轨迹半径，定位解算样本之间的周期号间隔应为：

式中：v为平台移动速度；

首个周期信号发射时间为t₀+t_s，则周期号为n的信号到达时间可表示为：

式中：c为水中声速；

对于周期未知声信标，t₀及t_s为未知数，无法直接通过式(7)计算不同测量点至声信标的距离d_n；因此，需计算二阶时延差以消去t₀及t_s，二阶时延差的定义为时延差的差分，即：

当采用式(6)等间隔选取样本时，即满足：n₁+n₃-2n₂＝0时，式(8)变为：

式(9)中已消去未知数t₀及t_s，该式仅包含不同测量点至声信标的距离信息，进而利用该信息构建解算方程即可实现未知周期声信标的定位解算；

所述步骤3具体为：假设待求解的声信标水平坐标为[x_s,y_s]，其深度已知为z_s；水下机动平台在不同测量点的水平坐标由惯导系统给出为[x_n,y_n]，深度由压力传感器给出为z_n，则测量点至声信标的距离可表示为：

进而，利用二阶时延差信息建立的定位解算方程为：

该方程组为非线性方程组，具体求解步骤如下：

步骤3.1：确定未知数初值：

步骤3.2：计算偏微分矩阵初值：

步骤3.3：计算函数值初值：

步骤3.4：更新未知数：

步骤3.5：更新函数值：

步骤3.6：计算残差：rⁱ＝xⁱ⁺¹-xⁱ，yⁱ＝F(xⁱ⁺¹)-F(xⁱ)；

步骤3.7：更新偏微分矩阵：

步骤3.8：重复第四步至第七步，直至两次迭代的间隔小于某一门限β；

即：(xⁱ⁺¹-xⁱ)·(xⁱ⁺¹-xⁱ)^T＜β时，停止迭代；停止迭代时未知数的数值即为声信标水平坐标的定位结果。