[發明專利]一種基于時延差和相位差且適用于時鐘異步的水下單信標導航方法

有效

• 申請號: 201910328805.1
• 申請日: 2019-04-23
• 公開（公告）號: CN110082706B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 孫思博;張新宇;付進;王燕;梁國龍;王逸林;王晉晉;張光普;邱龍皓;齊濱
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S1/80
• 分類號: G01S1/80
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 劉景祥

1.一種基于時延差和相位差且適用于時鐘異步的水下單信標導航方法，其特征在于，所述基于時延差和相位差且適用于時鐘異步的水下單信標導航方法包括：

S100建立W-U坐標系：在導航模型中，過聲信標O點作兩個導航點A和B所成直線的垂線，垂足為P，以P點為原點建立二維直角坐標系W-U，W軸與向量AB同向，U軸與向量PO同向；

S200計算信號相位差的一次項系數：對導航點A和B所接收的CW或LFM信號，依次進行包絡對齊、共軛相乘、相位解纏和線性擬合或二次擬合的操作，提取擬合結果中的一次項系數；

S300建立并求解導航方程：聯合所得的時延差信息和相位差信息，建立關于AUV在W-U坐標系下的坐標的導航方程，并對其進行求解；

S400坐標系轉換：通過坐標系轉換，獲取AUV在目標坐標系下的坐標位置；

在步驟S100中，具體的，聲信標位于水下O點，且周期性地發射聲信號S_O(t)，以O點為原點建立二維直角坐標系X-Y，X軸指向正東方向，Y軸指向正北方向，在該坐標系內，AUV從A點以速度v運動到B點，AUV在A和B兩處接收到聲信號分別記為S_A(t)和S_B(t)，兩個信號的前沿在聲信標處的發射時刻已知，分別記為t_OA和t_OB，t_OA和t_OB為聲信標時鐘；當聲信號為CW信號時，兩個信號的前沿到達AUV的時刻可通過Notch濾波器測量得到，當聲信號為LFM信號時，兩個信號的前沿到達AUV的時刻可通過匹配濾波器測量得到，分別記為t_RA和t_RB，t_RA和t_RB為AUV時鐘；兩個信號的前沿在水介質的傳播時延分別記為t_A和t_B；兩個時鐘的同步誤差為t_CE，則t_OA、t_OB、t_RA、t_RB、t_A、t_B和t_CE滿足下式：

t_A+t_CE＝t_RA-t_OA (1)

t_B+t_CE＝t_RB-t_OB (2)

過O點作A和B兩點所成直線的垂線，垂足記為P點，以P點為原點在O、A和B三點所確定的平面內建立二維直角坐標系W-U，其中，W軸與向量AB同向，U軸與向量PO同向，在W-U下，O點的坐標記為w_O＝[0,u_O]，A點的坐標記為w_A＝[w_A,0]，向量AB的記為w_AB＝[w_AB,0]，w_AB滿足下式：

w_AB＝|v|(t_RB-t_RA) (3)；

在步驟S200中，具體的，計算信號相位差的一次項系數，

聲信標所發射信號S_O(t)一般為CW脈沖和LFM脈沖，其具體形式為：

上式中，f₀為信號的起始頻率，k為LFM信號的調頻率，

在OA和OB的長度遠遠大于AB的長度的條件下，接收信號S_A(t)和S_B(t)的具體表達式可寫為：

上式中，θ_A和θ_B分別為∠AOP和∠BOP的大小，c為聲速，

步驟S200具體還包括以下步驟：

S210將信號S_A(t)和S_B(t)的包絡進行對齊，即將兩個信號的前沿移至同一時間點，在AUV的時間軸上對信號S_A(t)和S_B(t)進行包絡對齊得：

P_A(t)＝S_A(t+t_A) (7)

P_B(t)＝S_B(t+t_B) (8)

S220：對信號P_A(t)和P_B(t)進行共軛相乘：

上式中：

S230在實際計算信號S_AB(t)的相位信息時，由于計算機儀器中的相關函數默認的信號相位為-π～π，使得最終的相位信息出現相位纏繞的現象，為了后續的數據處理，需要進行相位解纏的操作；

S240當信號為CW或LFM信號時，對解纏后的相位信息進行線性擬合或二次擬合，并提取所得擬合函數的一次項系數β，由式可知β滿足下式：

在步驟S300中，具體的，建立并求解導航方程，

由式(1)和(2)可知兩個信號的時延差為：

t_A-t_B＝(t_RA-t_OA)-(t_RB-t_OB) (11)

將t_A和t_B用w_A、w_O和w_AB表示，上式可改寫為：

將式(10)中的sinθ_A和sinθ_B也用w_A、w_O和w_AB表示，可得：

聯立式(12)和(13)，可解得A和O兩點在W-U坐標系下的坐標。

2.根據權利要求1所述的一種基于時延差和相位差且適用于時鐘異步的水下單信標導航方法，其特征在于，在步驟S400中，具體的，坐標系轉換，

在單信標導航中，一般以X-Y坐標系下的坐標x_A＝[x_A,y_A]來描述AUV的位置信息，x_A、w_A和u_O之間的關系如下：

上式中，θ_v為v與X軸的夾角。