[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 |
| 地址： | 150001 黑龍江*** | 國省代碼： | 黑龍江;23 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 一種 基于 時延差 相位差 適用于 時鐘 異步 水下 信標 導航 方法 | ||
本發明公開了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，方法包括：S100建立W?U坐標系；S200計算信號相位差的一次項系數；S300建立并求解導航方程；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。本發明在時鐘異步的情況下，導航精度整體高于TDOA法，且在局部可與TOA(Time of Arrival)導航方法的導航精度相比擬。
技術領域
本發明屬于水聲定位導航領域，特別是涉及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。
背景技術
單信標導航是近二十年發展起來的一種新型導航方式，它只需布放一個聲信標就可實現一個區域的導航，相比傳統的長基線(LBL)和超短基線(USBL)的導航方式，具有布陣簡單和成本較低的優點。單信標導航不僅需要獲取聲信標與AUV之間的距離信息，還需要通過AUV自身搭載的傳感器獲取其余的狀態信息，如深度(壓力傳感器)、速度(多普勒速度計程儀DVL)和加速度(慣性測量單元IMU)等，再通過對兩種信息進行融合以對AUV的位置進行解算。對于單信標導航，常見的算法是TOA(Time of Arrival-信號達到時間)法和TDOA(Time Difference of Arrival-時延差)法。TOA法適用于時鐘同步的情況，在時鐘異步的情況下存在明顯的理論缺陷。TDOA法雖然不受時鐘異步的限制，但其導航精度一般低于TOA法。因此，尋找一種適用于時鐘異步且精度較高的導航方法對于單信標導航具有重要意義。
發明內容
本發明公開了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，以解決現有的導航方法精度較低的問題。
所述水聲信號處理方法包括：
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(continuous waveform-連續波信號，linear frequency modulation-線性調頻信號)，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。
進一步的，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SO(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SA(t)和SB(t)，兩個信號的前沿在聲信標處的發射時刻已知，分別記為tOA和tOB(聲信標時鐘)；兩個信號的前沿到達AUV的時刻可通過Notch濾波器(CW信號)或匹配濾波器(LFM信號)測量得到，Notch濾波器為自適應陷波濾波器。分別記為tRA和tRB(AUV時鐘)；兩個信號的前沿在水介質的傳播時延分別記為tA和tB；兩個時鐘的同步誤差為tCE，則tOA、tOB、tRA、tRB、tA、tB和tCE滿足下式：
tA+tCE＝tRA-tOA (1)
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