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一种水下体目标高精度长基线定位方法

孙大军 李宗晏 郑翠娥

孙大军, 李宗晏, 郑翠娥. 一种水下体目标高精度长基线定位方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(2): 592-599. doi: 10.11999/JEIT211395
引用本文: 孙大军, 李宗晏, 郑翠娥. 一种水下体目标高精度长基线定位方法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(2): 592-599. doi: 10.11999/JEIT211395
SUN Dajun, LI Zongyan, ZHENG Cui'e. A High-precision Long-baseline Positioning Method for Underwater Volume Target[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(2): 592-599. doi: 10.11999/JEIT211395
Citation: SUN Dajun, LI Zongyan, ZHENG Cui'e. A High-precision Long-baseline Positioning Method for Underwater Volume Target[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(2): 592-599. doi: 10.11999/JEIT211395

一种水下体目标高精度长基线定位方法

doi: 10.11999/JEIT211395
基金项目: 国家重点研发计划(2020YFB0505805)
详细信息
    作者简介:

    孙大军:男,教授,研究方向为新体制深海水下高精度定位

    李宗晏:男,博士生,研究方向为水声定位与导航

    郑翠娥:女,教授,研究方向为高精度深海水声定位技术

    通讯作者:

    郑翠娥 zhengcuie@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TB568; U666.1

A High-precision Long-baseline Positioning Method for Underwater Volume Target

Funds: The National Key Research and Development Project (2020YFB0505805)
  • 摘要: 水下体目标几何尺度大、运动姿态未知等因素,会导致传统长基线定位模型失配。该文针对此问题,通过体目标姿态、位置联合估计,消除模型误差,实现体目标几何中心的归算,得到了一种水下体目标的长基线高精度定位方法。理论分析及数值仿真结果表明,体目标半径大尺度下模型误差不可忽略,在体目标半径5 m,测距精度0.2 m的条件下,较传统长基线定位方法,将垂直定位精度从32 m提升至0.5 m,实现亚米级精度定位。
  • 图  1  长基线定位系统

    图  2  体目标试验工况

    图  3  体目标模型

    图  4  体目标坐标系建立

    图  5  仿真基本场景

    图  6  垂直定位误差与体目标半径的关系

    图  7  垂直定位误差与目标姿态的关系

    图  8  定位误差与测距误差的关系

    图  9  实际工况下不同目标初始姿态的定位误差

    算法1 体目标长基线定位方法
     输入:长基线信标在地理坐标系坐标${\boldsymbol{X}}_i^{\rm G}$、量测距离${\boldsymbol{R}}$、体目标
        上换能器的编号${\boldsymbol{P}}$、体目标半径${r_0}$
     输出:体目标质心在地理坐标系坐标${\boldsymbol{X}}_t^{\rm G}$,体目标姿态$\alpha $
     (1)选择体目标质心在地理坐标系坐标、体目标姿态的迭代初值
       ${\boldsymbol{X}}_{t\left( 0 \right)}^{\rm G}$,${\alpha _{\left( 0 \right)}}$,令flag=1,(flag为标志位)
     (2)根据体目标半径${r_0}$计算体目标上第$k$个换能器在体目标坐标系
       下的坐标${\boldsymbol{X} }_k^{\rm{S}}$
     (3)当满足flag=1时
     (4)根据${\boldsymbol{X}}_{t\left( 0 \right)}^{\rm G}$,${\alpha _{\left( 0 \right)}}$,${\boldsymbol{X} }_k^{\rm{S}}$,${\boldsymbol{X}}_i^{\rm G}$,${\boldsymbol{P}}$,${\boldsymbol{R}}$计算目标函数值${\phi _0}$
     (5)将观测方程线性化,并计算体目标质心、体目标姿态的更新
       值${\boldsymbol{X}}_{t\left( 1 \right)}^{\rm G}$,${\alpha _{\left( 1 \right)}}$
     (6)根据${\boldsymbol{X}}_{t\left( 1 \right)}^{\rm G}$,${\alpha _{\left( 1 \right)}}$,${\boldsymbol{X} }_k^{\rm{S}}$,${\boldsymbol{X}}_i^{\rm G}$,${\boldsymbol{P}}$,${\boldsymbol{R}}$计算新的目标函数值${\phi _1}$
     (7)若$\left| {{\phi _0} - {\phi _1}} \right| < \varepsilon $, $\left( {\varepsilon = {{10}^{ - 7}}} \right)$,那么
     (8)令 flag=0, ${\boldsymbol{X}}_t^{\rm G} = {\boldsymbol{X}}_{t\left( 1 \right)}^{\rm G}$, $\alpha = {\alpha _{\left( 1 \right)}}$
     (9)否则,令${\boldsymbol{X}}_{t\left( 0 \right)}^{\rm G} = {\boldsymbol{X}}_{t\left( 1 \right)}^{\rm G}$, ${\alpha _{\left( 0 \right)}} = {\alpha _{\left( 1 \right)}}$
     (10)继续循环
     (11)结束
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    表  1  体目标位于阵型中心处定位误差(m)

    北向坐标东向坐标高程
    传统方法00.00031.933
    本文方法000
    下载: 导出CSV

    表  2  体目标位于阵型偏心处定位误差(m)

    北向坐标东向坐标高程
    传统方法–2.132–1.92321.180
    本文方法000
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-01
  • 修回日期:  2022-06-24
  • 网络出版日期:  2022-07-01
  • 刊出日期:  2023-02-07

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