基于无人船复合航迹与对角边的四信标标定方法及系统

本发明涉及水下声学定位，尤其涉及长基线水声定位，具体是指基于无人船复合航迹与对角边的四信标标定方法及系统。

背景技术：

1、长基线水声定位系统通常由布设于海底的四个声学信标组成基阵，通过测量船载换能器与信标之间的声学传播时间来确定水下位置，四信标的坐标标定精度直接决定着整个系统的服务精度上限，因此基阵标定是lbl系统布设和运维中的核心环节。

2、现有四信标标定方法通常由测量船或无人船沿预设航迹航行，同步记录船载gnss坐标和与各信标的声学传播时间，结合声速剖面仪测量值，通过最小二乘平差联合估计信标坐标和声速参数。但现有方法存在五个方面的显著缺陷：一是航迹规划缺少定量化几何强度约束，经验性航迹常因条件数过大导致观测噪声被严重放大，尤其当基阵非规则或深度差异较大时难以保证标定精度；二是信标初始坐标依赖于投放记录或前次标定结果作为迭代初值，声速剖面测量值通常被当作真值直接固定使用，缺乏自主获取初值的能力，当先验信息偏差较大时平差易发散；三是将船—标斜距声路与信标间互测声路的等效声速混同为一个参数估计，或直接将声速剖面固定为真值，忽略了两类声路经过不同水体空间导致等效声速在物理上必然存在差异的事实；四是将同一互测边的多次重复观测均视为独立几何方程参与平差，忽视了同一边重复观测具有相同几何偏导这一基本事实，虚增了独立方程数和统计自由度，导致可观测性被乐观误判；五是全部观测数据均用于参数估计而无独立校核数据源，标定质量仅依赖内部残差和协方差矩阵，无法揭示系统性偏差，当标定精度不达标时缺乏明确的触发条件和系统性的回退路径，往往需要重新布设基阵并从头观测。

3、因此现需要一种能够系统化的复合航迹设计保障几何强度、基于质量评价选择长对角边建立绝对尺度、分阶段独立估计两类声速参数、正确压缩重复观测权重，并引入保留航段外部校核与分级回退机制，在无需信标坐标先验信息的前提下实现高精度、高可靠性的自主联合标定方法和系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供基于无人船复合航迹与对角边的四信标标定方法及系统，以解决现有技术中因航迹几何强度不足、声速参数混同导致的标定精度低、可靠性差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于无人船复合航迹与对角边的四信标标定方法，包括：

3、s1、控制无人船沿外围闭合航迹及阵内相交航迹航行，获取带坐标和时间标签的船标传播时间观测数据，建立船标观测模型，获取四个信标的初始绝对坐标、协方差矩阵和第一阶段船标路径等效声速；

4、s2、基于s1得到的初始绝对坐标、协方差矩阵和第一阶段船标路径等效声速，对四个信标形成的六条候选边分别进行质量评价，根据质量评价结果选取控制边并固定控制边两端信标的局部坐标，控制边两端信标为控制信标，剩余两个信标为非控制信标；

5、s3、在s2建立的局部坐标系下，获取四个信标两两互测的六类重复传播时间并计算边平均传播时间和协方差矩阵，以两个非控制信标的局部水平坐标和六条候选边的标间路径公共等效声速作为未知参数，建立六类边平均传播时间方程；

6、s4、构建目标函数，对s3建立的六类边平均传播时间方程进行带阻尼平差，利用控制边中点坐标和局部坐标方向将两个非控制信标的局部水平坐标恢复至卫星定位坐标系，得到四个信标的最终水平坐标；

7、s5、采用未参与估计的保留船标航段对s4得到的最终水平坐标进行外部校核，若核验成功输出控制边和最终水平坐标，若核验不成功，返回步骤s2重新选择控制边。

8、外围闭合航迹包围全部四个水下声学信标且至少两条相交航迹穿过基阵内部，两条阵内航迹相互正交或近似正交，形成横向和纵向穿越航线，共同构成无人船外围闭合—阵内交叉复合标定航迹。

9、船标观测模型为：

10、；

11、式中，表示观测历元索引，表示第个历元无人船换能器坐标，为信标索引，为第个信标坐标，表示船标路径等效声速，表示设备固定时延改正量，表示观测噪声，表示向量的二范数。

12、质量评价指标包括相对长度不确定度、船标残差、信号质量、有效观测率和双向一致性，在各项指标均满足预设阈值的候选对角边中，选择三维长度最大的对角边作为控制边。

13、假设第一信标和第三信标为控制信标，第一信标和第三信标构成的对角线为控制边，控制边长度为，控制边水平投影长度为：

14、；

15、式中，、分别表示第一信标、第三信标的深度；

16、以控制边中点为局部坐标系的原点，以第一信标至第三信标的水平投影方向为局部坐标系的u轴方向，控制边两端信标的局部坐标为：

17、；

18、；

19、式中，、分别表示第一信标、第三信标在局部坐标系中的三维坐标向量。

20、未知参数向量为：

21、；

22、式中，、分别表示第二信标、第四信标的局部水平坐标，表示标间路径公共等效声速；

23、六类边平均传播时间方程为：

24、；

25、式中，表示第个信标与第个信标之间互测传播时间的平均值，表示第个信标与第个信标在局部坐标系中的三维几何距离，表示残差项。

26、若两个信标均为控制信标，则为常数，在数值上等于控制边长度，若涉及非控制信标，则依赖于非控制信标的局部水平坐标。

27、s4中标间路径公共等效声速的迭代初值采用声学设备参考声速、声速剖面测量值或s1中船标路径等效声速中的至少一种；

28、s4中目标函数为：

29、；

30、式中，表示目标函数，表示六类标间互测边的平均传播时间观测向量，为六类边平均传播时间的理论计算函数，表示六类边平均传播时间的协方差矩阵的逆矩阵，表示转置。

31、s5中核验不成功的触发条件包括以下至少一种：

32、设计矩阵秩不足、缩放法方程条件数超过预设阈值、六类互测边平差后等效距离残差均方根或最大绝对残差超限、控制对角边质量指标不满足要求、外部距离不符值均值或均方根超限、外部残差随测距长度呈比例增长、不同航迹方向存在系统差异、或外部残差随观测时间持续漂移；

33、当触发所述任一条件时，保留已有六边互测数据，重新选择另一条质量合格的控制边，若所有候选边均不满足要求，则返回s1补测无人船航迹或复核声速剖面与设备时延参数，重新建立船标观测模型，获取四个信标的初始绝对坐标、协方差矩阵和第一阶段船标路径等效声速。

34、为实现上述目的，本发明还提供一种四信标lbl基阵标定系统，执行所述的一种四信标lbl基阵标定方法，包括：

35、无人船复合航迹观测模块，用于控制无人船沿外围闭合航迹及阵内相交航迹航行，获取带坐标和时间标签的船标传播时间观测数据；

36、初始坐标解算模块，用于建立船标观测模型，获取四个信标的初始绝对坐标、协方差矩阵和船标路径等效声速；

37、控制边选择与固定模块，用于对四个信标形成的六条候选边进行质量评价，根据评价结果选取控制边并固定控制边两端信标的局部坐标；

38、六边互测与参数估计模块，用于获取四个信标两两互测的六类重复传播时间并计算边平均传播时间和协方差矩阵，以两个非控制信标的局部水平坐标和标间路径公共等效声速为未知参数建立六类边平均传播时间方程，并进行带阻尼平差；

39、坐标恢复模块，用于利用控制边中点坐标和局部坐标方向将非控制信标的局部水平坐标恢复至卫星定位坐标系，得到四个信标的最终水平坐标；

40、质量控制与回退模块，用于采用保留船标航段进行外部校核，并在核验不成功时触发返回重新选择控制边。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果：

42、本发明通过无人船复合航迹的外围闭合航迹和阵内交叉航迹，为四个信标提供充分的几何观测强度，无需依赖信标坐标先验信息即可自主获取信标初始坐标、协方差和船标路径等效声速。

43、本发明在对角边质量评价中综合考察相对长度不确定度、船标残差、信号质量、有效观测率和双向一致性，优先固定长度较大且质量合格的对角边，利用长边较小的相对尺度误差建立第二阶段绝对尺度，有效抑制尺度误差传播。

44、本发明保留船标航段作为完全独立的校核数据源，不参与任何阶段参数估计；建立包括设计矩阵秩、条件数、内部残差、外部残差多项指标的全面质量控制体系，并配套系统性的回退机制，使标定结果可追溯、可验证、可补救，提高了标定的可靠性和工程实用性。