一种信标水声定位的改进扩展卡尔曼滤波算法

刘建波，韩树平，徐景峰，杨 刚

(海军潜艇学院，山东青岛 266000)

0 引 言

信标利用水声信号对水下航行器提供导航定位服务，主要利用的是距离和方位信息。关于水声纯距离定位导航方面有较多的研究[1-4]；文献[5]将水声通信与定位导航结合，利用单程传播时延实现距离估算和定位导航。水声测距误差受多种因素影响，一般并不满足高斯噪声假设，文献[6]分析了影响水声测距系统误差的各种因素，文献[7-8]提出了基于色噪声条件下的改进卡尔曼滤波方法；文献[9-10]等提出了基于乘性噪声条件下的滤波定位算法；文献[11-12]等讨论了迭代初值对滤波的影响，提出了迭代初值的选取办法。

针对水声测距时噪声模型失配的问题，本文提出了一种缓变测距偏差模型，将测距噪声分为高斯分量和缓变非高斯分量，当两次观测间隔较小时，假定缓变非高斯分量不变。基于此，提出一种改进的扩展卡尔曼滤波(Improved Extended Kalman Filter, IEKF)算法，研究了IEKF算法的初值选取方法。仿真实验和湖试结果表明，IEKF算法能够对测距偏差进行跟踪补偿，在复杂噪声条件下定位精度明显优于常规扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)算法。

1 基于缓变测距偏差的改进EKF

1.1 基于缓变测距偏差的改进EKF(IEKF)算法

水下纯距离导航定位时，水声测距误差与多种因素相关。利用传播时延进行距离估计，距离误差dr/r=dt/t+dc/c，时延测量误差dt与信号带宽和信噪比有关，与距离无关，在远距离测量时对测距误差影响较小。声速误差与实际水文环境有密切关系，即使利用声速剖面对有效声速进行修正，海底地形失配以及洋流等因素也会导致有效声速在不同方向和距离上的变化，增大声速误差。……