基于RSS与SINS的水下移动目标自定位方法研究

论文摘要

随着海洋探索不断深入,水下移动目标的水声自定位技术在水下勘探、水下营救,水下作战等领域的应用不断增加。水声自定位技术主要分为主动式与被动式。由于被动式水声自定位技术较主动式有更快的响应速度,隐蔽性更高及作用距离更远等特点,更多应用在实际的水下自定位系统中。当前,基于捷联惯导(SINS)的定位技术为主流的自定位技术之一,但SINS固有的累积误差问题极大地影响水下移动目标的定位精度。为此,本文从降低SINS定位中的累积误差,减少水下设备的功耗,简化硬件配置等角度出发,设计了一种新型的水下移动目标自定位技术。本文主要从以下几点开展研究工作:(1)介绍了水声定位基本原理,调研了经典的水下移动目标的自定位方法研究现状。研究了水声传播损失的扩展损失和吸收损失,对比了两者在不同水声信号频率下的差异,为基于接收信号强度的(RSS)水声定位模型的设计提供理论基础(2)考虑到在低频水声信号中扩展损失为主要信号损失来源,提出一种基于RSS与SINS系统的测距模型。该模型结合自身的姿态信息及水声损失的特性,并通过移动目标的运动状态递推解算算法,有效地去除RSS的较大测量误差,提高本文模型的测距精度。(3)依据本文的测距模型,提出一种基于粒子滤波的RSS自定位方法。该方法通过推算出信号强度分布信息,构建RSS信息空间分布地图与各个换能器间的映射关系,将强度与位置的映射关系融合到改进的粒子滤波算法中,实现位置信息解算。仿真和实测实验表明,在水下目标移动环境下,该方法有效地实现其自定位。(4)针对定位系统中有效信标数量较少时,出现定位精度较低的问题,结合水下移动目标的运动姿态与速度,本文设计了一种基于加权最小二乘的组合自定位方法,解算出位置信息。实验结果表明,在一个信标定位环境下,所设计的方法可极大地减少SINS定位中固有的累积误差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 水下移动目标自定位技术研究历史与现状
•   1.3 论文研究内容和组织结构
• 第二章 水声传播损失原理
•   2.1 引言
•   2.2 传播损失的概念
•   2.3 扩展损失
•     2.3.1 球面扩展损失
•     2.3.2 柱面扩展损失
•   2.4 吸收损失
•   2.5 扩展损失与吸收损失对比
•   2.6 小结
• 第三章 基于水声信号强度损失的距离估计算法设计
•   3.1 引言
•   3.2 基于水声强度的距离估计模型
•     3.2.1 模型推导
•     3.2.2 距离估计
•   3.3 影响距离估计模型的因素
•     3.3.1 环境噪声影响分析
•     3.3.2 多径效应干扰影响分析
•     3.3.3 采样率影响分析
•   3.4 基于SINS的距离估计模型
•     3.4.1 斜率修正补偿算法
•     3.4.2 基于姿态解析的曲线滤波算法
•     3.4.3 基于运动姿态的测距修正算法-WLS-IPF
•   3.5 影响测距精度的因素分析
•   3.6 小结
• 第四章 水下移动目标自定位算法的设计
•   4.1 引言
•   4.2 水下移动目标定位模型及粒子滤波原理
•     4.2.1 水下移动目标定位模型
•     4.2.2 基于粒子滤波的移动目标定位理论
•   4.3 基于改进的粒子滤波与RSS的水下移动目标自定位算法——IPF-RSS
•   4.4 IPF-RSS定位算法仿真实验结果及分析
•     4.4.1 IPF-RSS定位算法定位精度分析
•     4.4.2 影响IPF-RSS定位精度的因素分析
•   4.5 基于SINS与IPF-RSS的组合移动目标自定位系统——WLS-IPF
•   4.6 WLS-IPF自定位系统仿真实验结果及分析
•     4.6.1 WLS-IPF定位系统定位精度分析
•     4.6.2 WLS-IPF定位算法与同类算法间的对比
•   4.7 小结
• 第五章 水下移动目标自定位系统的实现
•   5.1 引言
•   5.2 实验器材描述及测试信号的采集处理
•     5.2.1 实验器材描述
•     5.2.2 测试信号的采集处理
•   5.3 测距算法模型稳健性实测实验及分析
•     5.3.1 不同信号频率测试实验
•     5.3.2 不同换能器设备测试实验
•     5.3.3 不同发射功率测试实验
•   5.4 定位实测实验及结果分析
•     5.4.1 定位实验环境描述
•     5.4.2 不同场景定位实验数据及结果对比
•     5.4.3 实测定位实验精度分析
•   5.5 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄祖辉

导师: 孙海信

关键词: 水声自定位,粒子滤波

来源: 厦门大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,工业通用技术及设备,无线电电子学

单位: 厦门大学

分类号: TB56;TN713

总页数: 99

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