[發(fā)明專利]一種新的艦艇編隊相對定位方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510971851.5
• 申請日: 2015-12-22
• 公開（公告）號: CN105467418A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉俊成;譚麗芬;王宇
• 申請（專利權(quán)）人: 中船航?？萍加邢挢?zé)任公司
• 主分類號: G01S19/47
• 分類號: G01S19/47
• 代理公司: 上海智力專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31105
• 代理人: 周濤

1.一種新的艦艇編隊相對定位方法，其特征在于該相對定位方法包括以下步驟：

第一步，構(gòu)建基于艦載數(shù)據(jù)鏈、艦載慣導(dǎo)和相對定位計算機(jī)的艦艇編隊相對定位系統(tǒng)，在艦艇編隊的每個艦艇上安裝艦艇編隊相對定位系統(tǒng)，確定相對定位時編隊艦艇相鄰艦艇間的信息交互內(nèi)容，艦載慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)傳送至艦載數(shù)據(jù)鏈，艦載數(shù)據(jù)鏈利用無線電測距進(jìn)行艦艇編隊內(nèi)各艦艇兩兩之間的相互測距，同時利用無線電通信實時通報慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測距信息，并將慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和測距信息傳送給相對定位計算機(jī)；

第二步，以艦艇的測距信息和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)計算得到的計算距離之差作為量測量，以各艦艇慣導(dǎo)的位置誤差為待估計量，建立艦艇編隊相對定位方法的數(shù)學(xué)模型，以測量學(xué)平差理論中的全參數(shù)加權(quán)最小二乘估計方法估計艦艇慣導(dǎo)位置誤差，然后利用艦艇慣導(dǎo)位置誤差估計反饋修正慣導(dǎo)輸出位置，達(dá)到艦艇慣導(dǎo)定位誤差聯(lián)合修正的效果。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新的艦艇編隊相對定位方法，其特征在于，傳送的艦載慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)包括狀態(tài)字、經(jīng)度λ_i、緯度φ_i、幀號，測距信息指的是相互測距值以艇間相互測距值和由艦艇各慣導(dǎo)提供的位置信息{λ_i,φ_i}(i＝1,…,n)，其中n為編隊艦艇數(shù)量，計算得到的計算距離之差作為量測量，以艦艇各慣導(dǎo)的位置誤差為待估計量，建立艦艇編隊相對定位方法的數(shù)學(xué)模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新的艦艇編隊相對定位方法，其特征在于，所述數(shù)學(xué)模型的建立步驟為：以表示艦艇慣導(dǎo)系統(tǒng)i的輸出位置，則與{λ_i,φ_i}的關(guān)系為：

式中，R為地球半徑，

與慣導(dǎo)i輸出經(jīng)緯度誤差的關(guān)系為：

艦艇i和艦艇j之間的相互測距值和由慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出計算得到的計算距離分別表示為：

dijm=(xi-xj)2+(yi-yj)2+vij---(3),]]>

dijI=(xiI-xjI)2+(yiI-yjI)2---(4),]]>

式(3)中{x_i,y_i}表示艦艇實際位置，v_ij表示測距誤差，為測距方差，

{x_i,y_i}和的關(guān)系表示為：

xi=xiI-ΔxiIyi=yiI-ΔyiI---(5),]]>

將式(5)帶入式(3)并線性化，得：

dijn-dijI≈-xiI-xjIdijI(ΔxiI-ΔxjI)-yiI-yjIdijI(ΔyiI-ΔyjI)+Δij=-xiI-xjIdijIΔxiI-yiI-yjIdijIΔyiI+xiI-xjIdijIΔxjI+yiI-yjIdijIΔyjI+Δij---(6),]]>

令并將式(6)寫成矩陣形式為：

L^m＝HX+Δ(7)，

式(6)中，量測值矩陣L^m是由與之差組成的p×1維矩陣，其中p等于n(n-1)/2，H為p×2n維矩陣，位置誤差矩陣Δ為噪聲矩陣，為p×p維測距值協(xié)方差矩陣，

考慮量測值的隨機(jī)性質(zhì)，

E(L)=E(Δ)=0ΣL=ΣΔ=σ02Q=σ02P-1---(8),]]>

式中，E(·)為數(shù)學(xué)期望，Σ_L為L的p×p維對角協(xié)方差陣，Q為L的p×p維對角權(quán)逆陣，P為L的p×p維對角權(quán)陣，為單位權(quán)方差，

則艦艇編隊相對定位數(shù)學(xué)模型為：

L=HX+ΔE(L)=0ΣL=σ02Q=σ02P-1---(9),]]>

所述參數(shù)X的估計中，量測方程共有2n個未知參數(shù)，則需要至少2n個相互獨(dú)立的量測方程，而在p個量測方程中最多有2n-3個相互獨(dú)立的量測方程，因而，量測方程系數(shù)矩陣H存在秩虧問題，根據(jù)測量學(xué)平差理論，引起秩虧為形虧時，為避免形虧，則在p個量測值中相互獨(dú)立方程的個數(shù)不能少于2n-3；引起秩虧為數(shù)虧時，由于整網(wǎng)沒有固定點，也就是缺少絕對定位數(shù)據(jù)，所以數(shù)虧無法避免，對于艦艇編隊組成的空間二維網(wǎng)來說其數(shù)虧數(shù)為3，

在所述艦艇編隊相對定位數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，為了解決H的秩虧問題，以測量學(xué)平差理論中的全參數(shù)加權(quán)最小二乘估計方法計算慣導(dǎo)位置誤差估計值具體過程如下：

Δ用其估計值V代替，X用其估計值代替，根據(jù)全參數(shù)加權(quán)最小二乘原理，求參數(shù)估計值選取優(yōu)化指標(biāo)：

VTPV=minX^TPIX^=min---(10),]]>

式(10)中，P、P_I分別為量測值權(quán)陣和慣導(dǎo)位置誤差的權(quán)陣，根據(jù)式(9)和式(10)計算得：

X^=(HPIHT+P)-1HTPILm---(11),]]>

其中，H秩虧時，HP_IH^T為非負(fù)定矩陣，P為正定矩陣，兩者的和必為正定矩陣，然后利用慣導(dǎo)位置誤差估計值對慣導(dǎo)輸出值進(jìn)行反饋修正，從而達(dá)到慣導(dǎo)定位誤差聯(lián)合修正的效果。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的新的艦艇編隊相對定位方法，其特征在于，艦載數(shù)據(jù)鏈在艦艇間相對速度小于40m/s下完成兩兩之間實時同步測距，測距范圍在5m到20km之間，測距方式為雙向單程測距，艦載數(shù)據(jù)鏈天線采用全向天線，艦載數(shù)據(jù)鏈時鐘同步精度高于50ns，同步測距精度小于30m，測距值輸出頻率不小于1Hz，所述艦載數(shù)據(jù)鏈的信號調(diào)制方式為載波和偽隨機(jī)碼雙重調(diào)制，信息傳輸速率不小于1kbs。