聲學研究：信标數量不固定的聲學定位組合導航方法及仿真
針對水下航行器利用聲學定位時可能出現無法收到足夠數量信标測距資訊的問題，提出一種基于單聲信标測距和推算定位的組合導航方法。
以航行器航速、航向資訊為輸入，位置為狀态，信标測距資訊為輸出，建立組合導航濾波模型，采用擴充卡爾曼濾波器進行組合導航資訊濾波。通過仿真對本方法應用特性進行驗證分析。
研究表明，本方法可以有效應對信标數量較少或航行器有效接收信标應答信号數量不固定的情況，具有良好的水下定位效果。
水下平台航行或工作常采用水聲定位方法擷取位置資訊。由于水聲定位方法其具有可控性好、精度高等特點，在海洋工程和科學考察活動中得到廣泛應用，目前已有較多貨架産品。
其中長基線定位系統（LongBaseLocation，LBL）具有定位範圍大、精度高的特點。LBL定位原理與衛星定位原理類似，在海底布設至少3個聲信标（一般4-6個），精确測量其位置作為空間基準。
在定位時，航行器安裝的聲學問答機發射信号，海底聲信标發射應答信号，航行器根據信号往返的延時，算出距離資訊，根據航行器到多個聲信标的距離，即可解算其位置，實作導航定位。
但由于海底環境的制約，有時難以布設足夠數量的信标；海洋環境的複雜性使得水下航行器也難以接收到所有信标的應答信号。
在實際定位時，航行器與各信标距離不同，也無法同時接收到所有應答信号，考慮到航行器的動态航行特性，此時利用應答信号進行解算帶來定位誤差。
一般水聲定位方法利用航行器到多個信标的測距資訊，通過幾何解算計算航行器位置。當信标數量較少、測距資訊存在誤差時，位置解算無法進行或存在較大誤差。
考慮到水下航行器一般帶有羅經和計程儀等測向、測速裝置，可進行推算定位，是以通過模組化可将二者結合實作定位。
航行器利用航速、航向資訊對位置進行推算，由于存在測量誤差（常值誤差和随機幹擾），其定位誤差随時間累積而不斷增加，導緻位置資訊不可信。
當其接近信标，能夠測得信标的距離時，若隻能接收一個或較少數量的信标資訊，則無法單獨完成定位計算。此時，考慮推算定位已經給出了部分位置資訊，将其充分利用，則可實作利用單信标測距資訊進行定位。
這樣公式即單聲信标的組合導航卡爾曼濾波處理過程，實作航行位置及其誤差方差的估計。當有多個信标時，既可以将公式（12）和公式（14）改造為多元表達式（維數等于信标個數），同樣采用卡爾曼濾波計算。
也可以仍然采用單信标組合導航方法，在每一次測量得到某一信标的距離資訊時，即與實時推算定位資訊進行組合導航計算，而不用等到所有信标距離資訊均獲得以後再進行計算，這樣放松了水聲定位對信标數量的要求，實作了可用信标數量不固定情況下的水聲定位。
從此過程可以看出，通過将推算定位模型與單信标測距模型相結合，采用卡爾曼濾波的預測-校正體制資訊處理方法，實作了推算定位資訊與單信标測距資訊的耦合，達到了僅使用單信标距離測量資訊也可實作水聲定位的功能。
對上述過程進行仿真分析，考慮如下兩種情況。
單信标情況仿真條件如下：信标位置為（-2000，-3000，-1000），機關為米（m，下同），稱為信标1。航行器初始位置為（-3000，-1000，-300），航行器水準航行，航速2m/s（約3.9節），航向120度。
航行推算定位，初始位置誤差設定為x，y方向具為方差為500m的高斯白噪聲，航向測量誤差包括1度的常值誤差和方差為0.5度的高斯白噪聲；航速測量誤差包括0.1m/s的常值誤差和方差為0.1m/s的高斯白噪聲。信标距離測量誤差為方差5m的白噪聲。
有多個信标的情況，假設有2個信标（多于2個信标的水聲定位效果比較理想，這裡不考慮），另一信标位置為（-2500，-1000，-800），稱為信标2。
航行器航向135度，速度2m/s。假設在航行前600s和後600s，分别隻接收信标1和信标2的信号，在航行過程中間600s，受海洋環境的影響，航行器以等機率随機接收信号1、信号2或2個信标的信号。
本文所提出基于單信标測距資訊/推算定位的組合導航方法，對于單信标聲學定位具有較好效果。
在實際水下聲學定位的應用過程中，受海水聲波傳輸特性複雜的影響，聲信号接收具有較大的不确定性，容易導緻可接收信号的信标數量不夠、信号接收不同步等情況。
本文的方法具有一定的通用性，可以有效應對這些情況，具有較大的應用價值。
