一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法

本发明涉及水声工程领域，具体涉及一种钟差和位置联合估计方法。

背景技术：

1、水下定位系统是一种集成声学、导航、通信、传感、数据处理等技术的综合系统，核心功能是在水下环境中，对水下目标进行精准的位置测量、跟踪与坐标解算，为水下作业、资源勘探、海洋科研等提供空间位置信息，是水下无人系统、海洋工程的核心支撑设备。水下定位系统包括多个海底基准，海底基准固定在海底。基于固定海底基准的长基线定位方法，是水下定位系统的核心实现形式，该方法依赖高精度时间同步。但是由于海底基准长期在水下工作，其时钟与水面端卫星时钟、水下用户时钟间会产生时钟偏移，引发时钟偏差，进而增大时延测量误差、降低测距精度。

2、在多水下用户大范围分布的场景中，信号传播延迟显著且各节点延时差异巨大，大规模节点间的双向通讯或脉冲传播极易产生冲突和时间累积误差，难以通过授时建立时间基准，从而制约水下定位系统的定位精度与稳定性。

技术实现思路

1、为了解决在多水下用户大范围分布的场景中，难以通过授时方式同步海底基准与水下用户时钟的技术问题，本申请提供了一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法。

2、本发明提供一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，包括以下步骤：

3、s1：获取待测量海洋区域的声速、各海底声学基准的位置、各海底声学基准与待估计水下用户之间的观测时延、水下用户的垂直深度；

4、s2：基于所述各观测时延以及声速，得到各海底基准的伪距观测量；

5、s3：基于所述声速、各海底声学基准的位置以及各伪距观测量，建立各海底声学基准的时-空联合估计观测模型；所述观测模型的待解算变量包括：水下用户位置坐标、以及海底声学基准与水下用户之间的时钟偏差；

6、s4：联合各个海底声学基准的时-空联合估计观测模型得到线性方程，基于所述水下用户的垂直深度求解所述线性方程，得到水下用户位置坐标修正量以及时钟偏差修正量；

7、s5：基于所述修正量对水下用户位置坐标以及时钟偏差更新；

8、s6：判断更新后的水下用户位置坐标以及时钟偏差是否满足预设收敛条件，若满足则以最近一次更新后的水下用户位置坐标与时钟偏差作为联合估计结果；若不满足，则重新执行s4至s6，直至满足预设收敛条件。

9、进一步地，步骤s2所述各海底基准的伪距观测量的计算方程为：

10、，

11、式中，表示第个海底基准的伪距观测量，表示水下实测声速，表示第个海底基准的观测时延。

12、进一步地，所述时-空联合估计观测模型的表达式为：

13、，

14、式中，为第个海底声学基准对应的时-空联合估计观测方程，其中表示待解算变量，表示水下用户的位置坐标，为海底声学基准与水下用户之间的时钟偏差；为海底声学基准编号，，为海底声学基准总数，；为第个海底声学基准到水下用户的距离，，表示第个海底声学基准的位置坐标。

15、进一步地，s4将所述水下用户的垂直深度作为水下用户的z轴坐标；采用非线性最小二乘估计算法求解所述线性方程，得到水下用户位置坐标修正量以及时钟偏差的修正量。

16、进一步地，s4具体包括以下步骤：

17、联合各个海底声学基准的时-空联合估计观测模型得到非线性方程组，将所述非线性方程组在待解算变量的初始点处进行一次泰勒展开，得到以下矩阵形式的线性方程：

18、，

19、其中，表示残差矩阵，表示雅可比矩阵；矩阵右上角符号表示转置；表示第个海底声学基准对应的观测方程的残差；表示第个海底声学基准对应的观测方程的雅可比矩阵；

20、，

21、，

22、，

23、式中，为待解算变量的初始点的修正量；分别初始点中横坐标、纵坐标以及时钟偏差的修正量；

24、采用非线性最小二乘估计算法求解，得到水下用户位置参数以及时钟偏差的修正量：

25、，

26、式中，表示的逆矩阵。

27、进一步地，s6判断更新后的水下用户位置坐标以及时钟偏差是否满足预设收敛条件，具体包括以下步骤：

28、（1）根据在当前次更新前的水下用户位置坐标、以及海底声学基准与水下用户之间的时钟偏差，计算第一残差平方和；所述第一残差平方和的计算公式为：，表示向量欧几里得范数的平方；

29、（2）根据当前次更新后的水下用户位置坐标、以及海底声学基准与水下用户之间的时钟偏差，计算第二残差平方和；所述第二残差平方和的计算公式为：；

30、（3）若第一残差平方和减去第二残差平方和的绝对值小于预设迭代终止门限，则判定满足预设收敛条件。

31、进一步地，所述预设迭代终止门限值设置为。

32、进一步地，所述待测量海洋区域的声速，通过船载温盐深剖面仪ctd或投弃式温度剖面测量系统xbt获取。

33、进一步地，所述水下用户的垂直深度，通过水下用户搭载的深度传感器获取。

34、本发明的有益效果：

35、本发明构建了关联伪距观测量、水下用户位置参数，以及海底声学基准与水下用户时钟偏差的时-空联合估计观测模型，在水下用户的垂直深度约束条件下，利用最小二乘法求解观测模型，得到得到水下用户位置参数以及时钟偏差的修正量，利用修正量更新用户位置以及时钟偏差，判断更新后的三维位置参数以及时钟偏差是否满足预设收敛条件，若满足则输出水下用户位置参数与时钟偏差作为估计结果，若不满足则重新解算模型，直至满足预设收敛条件。无需外部高精度授时支撑，实现水下海底基准与用户之间的时钟同步。

1.一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，步骤s2所述各海底基准的伪距观测量的计算方程为：

3.根据权利要求2所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，所述时-空联合估计观测模型的表达式为：

4.根据权利要求3所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，s4将所述水下用户的垂直深度作为水下用户的z轴坐标；采用非线性最小二乘估计算法求解所述线性方程，得到水下用户位置坐标修正量以及时钟偏差的修正量。

5.根据权利要求4所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，s4具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，s6判断更新后的水下用户位置坐标以及时钟偏差是否满足预设收敛条件，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，所述预设迭代终止门限值设置为。

8.根据权利要求1所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，所述待测量海洋区域的声速，通过船载温盐深剖面仪ctd或投弃式温度剖面测量系统xbt获取。

9.根据权利要求1所述的一种基于深度约束的钟差和位置联合估计方法，其特征在于，所述水下用户的垂直深度，通过水下用户搭载的深度传感器获取。