[发明专利]一种水下鲁棒自适应单信标定位方法

说明书

本发明涉及一种单信标定位方法，首先建立运动学模型及观测模型；将位置状态及参数状态先验分布建模为Student’s t分布与高斯分布；将海流观测噪声与水声信号传递时间观测噪声建模为Student’s t分布；将所有的高斯分布与Student’s t分布的方差矩阵、尺度矩阵和自由度参数看作随机变量，先验分布建模为其对应的共轭先验；将所有的Student’s t分布分解为分层高斯的形式。每一个时间历元采用序贯更新的方式：得到位置状态的预测值；得到参数状态的预测值；对噪声参数的超参数进行预测；进行海流速度观测相关变量的更新；进行水声信号传递时间相关变量的更新。本发明可以同时处理实际水下单信标定位系统当中常见的观测野值以及噪声统计参数的时变未知性。

技术领域

本发明属于水下定位领域，特别涉及一种单信标定位方法。

背景技术

精确的位置反馈是水下航行器完成既定水下任务的基础。由于水下电磁波信号衰减较快，广泛应用于陆地与天空定位的GNSS系统在水下无法应用。目前常用于水下的定位方式包括惯性导航、航位推算、长基线定位系统以及超短基线定位系统。其中惯性导航以及航位推算的定位误差会随时间累计，无法用于长时间水下定位。而长基线定位系统以及超短基线定位系统成本通常较高，这限制了其在水下航行器中的应用。水下单信标定位系统融合了航位推算数据与单个水声信标提供的水声信号传递时间信息，可以得到比常规的惯性导航以及航位推算更好的定位精度，且成本低于长基线定位以及超短基线定位。目前的单信标定位系统多基于非线性Kalman滤波器来融合水声信号传递时间信息以及航位推算信息，进行航行器的位置解算。但常规的非线性Kalman滤波器仅仅在状态空间模型的过程噪声及观测噪声为高斯分布且噪声统计参数完全已知时才可保证其性能。实际的水下定位应用中，多普勒测速仪(DVL)以及电子罗盘会存在观测野值，这会导致航行器测得的自身与大地的相对速度以及自身与水的相对速度存在野值，也会进一步导致海流的观测出现野值。由于水下环境的恶劣性，水声信号传递时间也会存在观测野值。这些观测野值会使得单信标定位系统的位置状态过程噪声、海流观测噪声以及水声信号传递时间观测噪声呈现非高斯性，具体来说，噪声会呈现厚尾特性。此外，在实际的应用当中，模型过程噪声以及观测噪声的统计参数难以准确获得，且航行器运动特性以及水下环境的改变还会使得噪声的统计参数随时间变化，这进一步增加了准确获得噪声统计参数的难度。传感器的观测野值以及噪声统计参数设置的不准确会恶化定位系统的性能，甚至会导致滤波发散，这会影响基于非线性Kalman滤波器的单信标定位系统在实际水下定位当中的应用。

发明内容

本发明的目的是：针对于实际水下单信标定位系统当中出现的DVL、电子罗盘、水声信号传递时间观测野值以及模型噪声统计参数的时变未知性，将位置状态过程噪声、海流观测噪声以及水声信号传递时间观测噪声建模为Student’s t分布，且将所有的模型噪声方差矩阵、尺度矩阵、自由度参数均看作未知的。在变分贝叶斯近似的框架下对未知变量及参数进行迭代求解，提出相应的水下鲁棒自适应单信标定位方法。