[發明專利]一種無需時鐘同步的水下移動節點慣導誤差校正方法

在審

• 申請號: 202010710287.2
• 申請日: 2020-07-22
• 公開（公告）號: CN113970343A
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 肖東;陳巖;魏麗萍;賈寧;郭圣明;馬力
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;H04B13/02;H04W4/30;H04W56/00;H04W4/024;H04W4/029
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 陳琳琳;楊青

本發明公布了一種無需時鐘同步的水下移動節點慣導誤差校正方法，所述方法包括：利用水聲網絡中固定節點與水下移動節點間的應答通信，基于應答通信信號往返距離不相等的條件下，使用虛擬平移結合粒子濾波的方法，在不需要節點間時鐘同步的條件下對移動節點的慣導設備的定位誤差進行校正。本發明的方法在不需要時鐘同步的前提下，利用水下移動節點與水聲網絡節點間的應答通信，一定程度上減小了慣導誤差。

技術領域

本發明屬于水聲網絡領域，特別涉及一種無需時鐘同步的水下移動節點慣導誤差校正方法。

背景技術

常見的水下移動節點定位導航技術主要包括四類：捷聯慣導技術、水下聲學定位與導航技術、地球物理及視覺導航技術及水下協同導航技術。其中，捷聯慣導技術的導航誤差隨時間累積明顯；水下聲學定位與導航技術中的多普勒速度計程儀方法容易出現對地失鎖現象，水聲定位基陣方法需要聲信標或其他輔助設備；地球物理及視覺導航技術需要對移動節點所在海域的地形地貌、重力或地磁信息有較為詳盡的數據庫支撐；水下協同導航技術則主要應用于水下移動編隊各個節點間的相對自定位。四類方法使用場景不同，具有不同的優勢。

即使水下移動節點使用極高精度的組合導航設備，經過長時間水下航行，也會產生定位偏差，此時可以通過水下聲學定位導航技術對慣導誤差進行矯正。目前，大多數水下聲學定位導航技術依賴水下節點間的時間同步。也有學者使用卡爾曼濾波在時鐘異步的條件下實現了移動節點導航，但是考慮到卡爾曼濾波在非高斯、非線性條件下的局限性，我們采用虛擬平移結合粒子濾波的方法。另外，多數水下移動節點導航定位技術均忽略了移動節點從發射定位請求信號到接收定位回復信號期間的位移，這在水下移動節點運動速度稍快時，會造成較大誤差。所以本方法考慮到了移動節點的位移。

發明內容

本發明方法針對水下移動節點慣導累計誤差隨時間增大的問題，提出了一種無需時鐘同步的水下移動節點慣導誤差矯正方法，該方法利用水聲網絡與移動節點間的應答通信，在考慮到應答通信信號往返距離不相等的情況下，使用虛擬平移結合粒子濾波的方法，在不需要節點間時鐘同步的條件下對移動節點的進行絕對自定位，一定程度上減小了慣導誤差。

為實現上述目的，本發明提供了一種無需時鐘同步的水下移動節點慣導誤差校正方法，所述方法包括：利用水聲網絡中固定節點與水下移動節點間的應答通信，基于應答通信信號往返距離不相等的條件下，使用虛擬平移結合粒子濾波的方法，在不需要節點間時鐘同步的條件下對移動節點的慣導設備的定位誤差進行校正。

作為上述方法的一種改進，所述方法具體包括：

步驟1)為每個水下移動節點上建立位移記錄表、GPS記錄表和距離記錄表；位移記錄表包含T+1組，T為固定節點的個數，其中前T組用于記錄固定節點在經度、緯度、深度三個維度上的虛擬位移，最后一組用于記錄該移動節點的慣導設備給出的從發射REQ到等待RPL超時過程中，產生的經度位移nor_dis、緯度位移est_dis和深度位移alt_dis；GPS記錄表用于記錄每個固定節點的經度、緯度和深度；距離記錄表包含T項，其中的第i項用于記錄該移動節點與固定節點i的往返測距結果；

步驟2)建立REQ數據幀，記錄由該移動節點的本地時鐘給出的REQ數據幀發射開始時刻reqt并發射REQ數據幀；發射完畢后，開啟等待RPL定時器，等待RPL定時器應不少于T×DelaySlot秒，DelaySlot為延時時間片，應不小于節點最大通信距離/水中聲速+最長數據幀持續時間；并累計自身在緯度、經度和深度上的位移，定時將上述位移賦值到位移記錄表最后一組相應項中并記錄更新時間為last_up；回到空閑狀態等待；

步驟3)當接收到任一固定節點發送的RPL數據幀并校驗正確，同時滿足設定的條件時，進入步驟4)；否則，返回到空閑狀態繼續等待；

步驟4)讀取RPL數據幀的信源節點s、回復延時τ、緯度lat_s、經度lon_s、深度alt_s；將lat_s、lon_s和alt_s依次賦值給GPS記錄表的第s組；計算本移動節點與信源節點s的往返測距結果r_s：