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原文传递基于单信标测距的水下载体定位研究

论文题名：	基于单信标测距的水下载体定位研究
关键词：	水下载体;目标定位;导航路径;单信标测距;迭代发散抑制
摘要：	在长时间、大范围和远距离的定位需求下，基于单信标测距的定位技术是水声定位技术的一个新的研究方向，它是传统水声定位系统组合化和简约化的结合。简约化是因为它只需要在海底布放一个声信标，提高了使用便捷性和作业效率；组合化是因为它将声学测距定位设备与载体运动传感器组合使用。由于单次距离测量不能够确定水下载体的具体位置，因此本文根据传统长基线的物理模型引入了虚拟测距信标的概念，建立了基于虚拟测距信标的定位模型。本文以提高单标定位精度和稳定性为主要目的，研究了基于虚拟测距信标的定位技术、克服虚拟信标几何分布不理想的迭代发散抑制技术、克服载体航向角误差的定位精度提升方法和克服声学测距收发非共点的数据处理技术。　　由于单次距离测量不能够确定水下载体的具体位置，本文根据传统长基线的物理模型引入了虚拟测距信标的概念，建立基于虚拟测距信标的定位模型；对影响定位精度的迭代位置初值和测距误差进行了仿真分析；并通过海上试验数据分析验证基于虚拟测距信标的定位方法的可行性和有效性。　　载体的导航路径决定了虚拟信标的几何分布，虚拟信标几何分布不理想时会造成系数矩阵奇异或者病态的情况，导致迭代过程发散不收敛。为了克服虚拟信标几何分布不理想造成的观测结构病态性，提出了一种基于阻尼对角元惩罚项的迭代发散抑制算法，增加自适应调整的对角元使得系数矩阵正定，抑制了迭代过程中位置修正量的发散。海上试验数据表明：当虚拟信标几何分布不理想时，本文所提阻尼对角元法能有效抑制定位结果的发散，收敛到组合导航附近；当虚拟信标几何分布理想时，高斯牛顿法和阻尼对角元法的定位结果相同，都收敛到组合导航附近。　　坐标旋转矩阵由载体姿态角组成，姿态角的误差会传递给虚拟信标的位置，进而影响定位结果，而其中影响最大的便是载体航向角。为了克服载体航向角误差的影响，在同种类声学定位系统双精度组合模式下，提出了基于最小均方误差的单标加权融合算法，仿真分析和海上试验数据处理表明：该方法受载体航迹与信标的相对几何位置关系影响比较大。为此，根据单标定位结果的差值只与信标位置有关的理论分析结果，进一步提出了基于声学双精度差值最优化的航向角补偿算法。海上试验数据分析验证了该方法的可行性和有效性，航向角补偿前单标定位误差随着与信标距离的增大而增大，航向角补偿后单标定位结果收敛到组合导航附近。　　常规的基于声学测距的定位解算方法基于的是目标静止声学测距观测模型，忽略载体运动引起的声学测距收发非共点，简单地用双程传播时延的一半作为单程传播时延的“观测值”，该“观测值”既不等于载体发射点与信标之间的单程传播时延“真实值”，也不等于载体接收点与信标之间的单程传播时延“真实值”。为了克服声学测距收发非共点的影响，在基于单程测距的单标定位方法的基础上，提出了基于虚拟收发信标的定位方法，通过虚拟收发信标直接利用双程传播时延，但定位精度的提升受测量误差影响比较大。为此，进一步提出了状态量测相关的稳健卡尔曼滤波，一方面联合声学测距设备观测量和载体运动传感器观测量组成双程传播时延量测方程，另一方面根据载体运动传感器观测量增加系统状态方程和系统量测方程的相关项。仿真分析和湖上试验数据处理表明：该方法在载体运动状态参数和时延测量精度高时加快滤波过程的收敛速度并提高了状态估计的精度，时延测量精度低时缓冲滤波精度的降低。
作者：	曹俊
专业：	信号与信息处理
导师：	张殿伦
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文