CN100535683C - 用于超短基线声学定位系统的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超短基线声学定位系统的校准方法。所述定位系统包括：主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的GPS系统和惯性测量IMU装置。所述的校准方法包括：a.存储步骤，b.输入计算步骤，c.调用计算步骤，d.输出步骤；利用GPS数据、船体姿态数据和声头至应答器的几何距离，计算应答器的位置、声头至GPS天线之间的位置偏差；对所调用的计算机程序进行计算声头的定向误差，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序，实现了对水下拖曳体目标的高精度定位。

Description

用于超短基线声学定位系统的校准方法

技术领域

本发明涉及海洋调查测量船探测设备的改进，具体讲是一种用于超短基线声学定位系统(Ultra Short Base Line Acoustic Positioning System)的校准方法，其属于海洋资源探测技术领域。

背景技术

在现有技术的海洋调查中，经常使用超短基线水声定位系统，对水下拖曳体或其它目标进行定位。该系统包括：固定在测量船船体水面以下的超短基线声头、主处理机、收发单元、控制单元、外接安装在船体水面以上的GPS天线定位系统和惯性测量装置——IMU(Inertial Measurement Unit)等。由于超短基线声头与GPS天线之间存在位置偏差，该声头的声基阵定向系统(XYZ)与IMU定向系统(X′Y′Z′)之间不可能完全重合，存在系统性定向偏差，如果不加以改正，测量的相位角存在系统误差。因此，在使用超短基线水声定位系统工作之前，必须校准这些系统性误差，否则，会出现很大的系统性位置偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超短基线声学定位系统的校准方法。该方法要具有科学性、可靠性，能够快速准确而有效地校准系统的安装误差。

本发明的目的是由以下技术方案实现的，研制了一种用于超短基线声学定位系统的校准方法，所述定位系统包括：主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的GPS系统和惯性测量IMU装置。所述的校准方法包括：

a.存储步骤，用于在所述收发单元中存储观测到的GPS、IMU和超短基线声头三类测量数据，用于专用计算机程序，其中，每个计算机程序被定义予一与被观测到的GPS，IMU和超短基线三类测量数据对应的唯一特定类别参数；

b.输入计算步骤，用于输入上述GPS测量的地理位置数据，IMU测量的船体姿态数据和超短基线声头至应答器的几何距离，利用这三类参数计算出：应答器的位置

，该声头至GPS天线之间的位置偏差

和尺度比参数Δu；

c.调用计算步骤，用于基于所输入的将b.中得到的应答器的位置

、超短基线声头的位置偏差值

作为已知值和利用超短基线声头所测量的应答器在该声头坐标系下的三维位置(x、y、z)，构建误差方程： $\stackrel{\→}{v}=\stackrel{\→}{b}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{f}$ ，并计算该声头的定向误差；

d.输出步骤，基于所输入的相关定义参数，对所调用的计算机程序进行计算，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序。

所述的存储的三类测量数据，各数据的定义如下：

1)GPS提供的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_G=\left(\begin{array}{ccc}{N}_G& E_G& H_G\end{array}\right):$

N_G-北方向的坐标值，

E_G-东方向的坐标值，

H_G-高程值；

2)IMU的船体姿态数据：

A-船艏向(Heading)的方位角，

κ-纵摇角(Pith)，

-横摇角(Roll)；

3)在声头坐标系下应答器的位置 ${\stackrel{\→}{X}}_H^R=\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right):$

x-纵轴向的坐标值，

y-横轴向的坐标值，

z-下垂向的坐标值；

4)应答器的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_R=\left(\begin{array}{ccc}{N}_R& E_R& H_R\end{array}\right):$

N_R-北方向的坐标值，

E_R-东方向的坐标值，

H_R-高程值；

5)在船心坐标系内，声头相对于GPS天线相位中心的位置偏差

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\ΔF}& \mathrm{\ΔS}& \mathrm{\ΔH}\end{array}\right):$

ΔF-船艏方向偏差，

ΔS-右舷方向偏差，

ΔH-垂向偏差；

6)声头坐标系的三个坐标轴相对于船心坐标系的定向误差 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{W}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}\end{array}\right):$

α-声头坐标系纵轴与船艏方向的夹角，

β-声头坐标系横轴与右舷方向的夹角，

γ-声头坐标系的垂向与船心坐标系的垂向之间的夹角；

7)尺度比参数Δu：该参数乘以工作区域的平均声速，即为声速改正值。

所述的计算应答器的位置

和该声头至GPS天线之间的位置偏差，是将应答器在该声头坐标系中的坐标 ${\stackrel{\→}{X}}_H^R=\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)$ 转化为该声头至应答器之间的几何距离，即：

$S=\sqrt{x^2+y^2+z^2}---\left(1\right);$

为确定声头的位置偏差

和应答器的位置

，采用如下步骤：

1)根据位置偏差

、应答器的位置

、GPS天线的地理位置

和姿态数据之间的几何关系，构建声头的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_T=\left(\begin{array}{ccc}{N}_T& E_T& H_T\end{array}\right)$ 的表达式：

${\stackrel{\→}{X}}_T={\stackrel{\→}{X}}_G+R_U^T\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T---\left(2\right);$

其中，R_U为地理坐标系至船心坐标系的旋转矩阵，它是三个姿态角的函数，其具体表达式为：

2)根据该声头和应答器之间测量得到的距离与几何距离的关系，建立观测模型：

v＝ρ-S·(1+Δu)(4)；

其中，S为(1)式计算的距离，ρ为声头至应答器的几何距离，即

$\mathrm{\ρ}=|{\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_T|=\sqrt{{(N_R-N_T)}^2+{(E_R-E_T)}^2+{(H_R-H_T)}^2}---\left(5\right);$

由于存在测量误差，测量距离S不可能等于几何距离ρ，这里用v来表示测量误差；

3)确定系数矩阵并解算法方程：

将(2)、(3)和(5)代入到(4)后，经过线性化，得到误差方程为：

$v=\stackrel{\→}{a}\·\stackrel{\→}{x}-l---\left(6\right);$

其中，

为未知数向量(7×1)，包括7个未知数，即声头的位置偏差(3个未知数)、应答器的位置(3个未知数)和尺度比参数(1个未知数)；为已知的系数向量(1×7)，l为常数项；

将N个误差方程写成矩阵-向量的形式，得到：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{A}\·\stackrel{\→}{x}-\stackrel{\→}{L}$

其中，

为(N×1)阶残差向量，

为(N×7)系数矩阵，

为(N×1)阶常数项向量；由最小二乘准则，得到未知数的解算结果为：

$\stackrel{\→}{x}={\left(A^T\mathrm{PA}\right)}^{-1}{A}^T\mathrm{PL}$

Q＝(A^TPA)^-1    (N为观测值组数)(7)。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{V^T\mathrm{PV}/(N-7)}$

所述的计算该声头的定向误差，是将所得到的应答器的位置和该声头的位置偏差值

作为已知值，计算该声头的定向误差，采用如下步骤：

1)在船心坐标系下应答器的理论位置：

由于应答器的地理位置

和声头的地理位置

已知，通过坐标系的旋转，可以得到在船心坐标系下应答器的位置

为：

${\stackrel{\→}{X}}_S^R=R_U({\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_T)=R_U({\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_G)-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T---\left(8\right);$

2)在船心坐标系下应答器的量测位置：

由于假如声头坐标系与船心坐标系的坐标轴之间的定向误差已知，声头坐标系至船心坐标系的旋转矩阵为R_S，在声头坐标系下应答器的观测站为

，于是在船心坐标系下，应答器的量测值为：

${\stackrel{\→}{Y}}_S^R=R_S{\stackrel{\→}{X}}_H^R---\left(9\right);$

其中，旋转矩阵R_S是定向误差(αβγ)的函数，其定义如下：

$R_S=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\β}\\ -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}\\ \sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(10\right);$

3)建立观测模型：

由于系统自身测量误差的存在，两者之间存在细微差异，由此得到观测模型为：

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{X}}_S^R-(1+\mathrm{\Δ\μ}){\stackrel{\→}{Y}}_S^R---\left(11\right);$

由于声头坐标系与船心坐标系的定向误差是未知的，这三个未知数包含在旋转矩阵R_S中；将(8)、(9)和(10)式代入到(11)式，并经线性化后，得到如下误差方程：

$\stackrel{\→}{v}=\stackrel{\→}{b}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{f}---\left(12\right);$

式中，

为系数(3×3)系数矩阵，

为(3×1)常数项向量，

为(3×1)未知数向量，即为声头的三个定向误差(αβγ)，为(3×1)残差向量。

设共有N组观测量，可以得到N组形如(12)的误差方程，写成矩阵-向量形式，得到：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{B}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{F}$

其中，

为(3N×1)阶残差向量，

为(3N×3)系数矩阵，

为(3N×1)阶常数项向量；由最小二乘准则，得到未知数的解算结果为：

$\stackrel{\→}{y}={\left(B^T\mathrm{PB}\right)}^{-1}{B}^T\mathrm{Pf}$

Q＝(B^TPB)^-1    (N为观测值组数)(13)。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{V^T\mathrm{PV}/(3N-3)}$

本发明的技术效果在于：由于在所述的校准方法的b.输入计算步骤，用于输入上述GPS测量的地理位置数据，IMU测量的船体姿态数据和超短基线声头至应答器的几何距离，利用这三类参数和相关算法，就可以准确地计算出超短基线声头由于安装引起的水平和高程方向的位置偏移以及声头在船艏向、右舷向和垂向的定向偏差，即应答器的位置

，该声头至GPS天线之间的位置偏差

；并能计算出该区域平均声速的修正值，即尺度比参数Δu。由于在所述的校准方法的c.调用计算步骤，用于基于所输入的将b.中得到的应答器的位置

、超短基线声头的位置偏差值作为已知值和利用超短基线声头所测量的应答器在该声头坐标系下的三维位置(x、y、z)，构建误差方程： $\stackrel{\→}{v}=\stackrel{\→}{b}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{f},$ 并可以精确地计算出该声头的定向误差。

附图说明

图1为超短基线水声定位系统的设备流程方框图。

图2为超短基线水声定位系统的校准方法主流程方案原理图。

具体实施方式

根据本发明的校准方法，列举在某海区试验的具体实施例如下：

1)将各项偏差设置为0，将应答器固定在海底，船只围绕应答器航行，采用本发明的校准方法所述的a.步骤，采集存储GPS、IMU、超短基线测量的数据共计326组。

2)数据采集完毕，按本校准方法所述的b.-c.的步骤计算得到校准数据，结果见表1。

3)为了证明校准方法的科学性，按本校准方法所述的d.步骤输出未经过校准计算得到的应答器地理位置数据，如表2；按本校准方法所述的d.步骤输出经过校准计算得到的应答器位置数据，如表3。

4)将表1、表2的数据与应答器的实际地理位置数据进行比较，如表4。

结论：经过比较显然经过校准计算得到的应答器位置更接近应答器的实际位置，而未经过校准计算得到的应答器位置与应答器的实际位置偏差较大，这说明了本校准方法校准得准确性。

表1

表2

表3

表4

本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种用于超短基线声学定位系统的校准方法，所述定位系统包括：主处理机，收发单元，控制单元，固定安装在测量船体水面以下的超短基线声头，水下目标应答器，外接安装在测量船体水面以上的GPS系统和惯性测量IMU装置，其特征在于：所述的校准方法包括：

a.存储步骤，用于在所述收发单元中存储观测到的GPS、IMU和超短基线声头三类测量数据，用于专用计算机程序，其中，每个计算机程序被定义予一与被观测到的GPS，IMU和超短基线三类测量数据对应的唯一特定类别参数；

b.输入计算步骤，用于输入上述GPS测量的地理位置数据，IMU测量的船体姿态数据和超短基线声头至应答器的几何距离，利用这三类参数计算出：应答器的位置

该声头至GPS天线之间的位置偏差

和尺度比参数；

c.调用计算步骤，用于基于所输入的将b.中得到的应答器的位置

超短基线声头的位置偏差值

作为已知值和利用超短基线声头所测量的应答器在该声头坐标系下的三维位置(x、y、z)，构建误差方程： $\stackrel{\→}{v}=\stackrel{\→}{b}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{f},$ 并计算该声头的定向误差；

d.输出步骤，基于所输入的相关定义参数，对所调用的计算机程序进行计算，以在主处理机中生成适合校准的系统性误差的新计算机程序。

2、根据权利要求1所述用于超短基线声学定位系统的校准方法，其特征在于：所述的存储的三类测量数据，各数据的定义如下：

(1)GPS提供的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_G=\left(\begin{array}{ccc}{N}_G& E_G& H_G\end{array}\right):$

N_G-北方向的坐标值，

E_G-东方向的坐标值，

H_G-高程值；

(2)IMU的船体姿态数据：

A-船艏向的方位角，

κ-纵摇角，

-横摇角；

(3)在声头坐标系下应答器的位置 ${\stackrel{\→}{X}}_H^R=\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right):$

x-纵轴向的坐标值，

y-横轴向的坐标值，

z-下垂向的坐标值；

(4)应答器的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_R=\left(\begin{array}{ccc}{N}_R& E_R& H_R\end{array}\right):$

N_R-北方向的坐标值，

E_R-东方向的坐标值，

H_R-高程值；

(5)在船心坐标系内，声头相对于GPS天线相位中心的位置偏差 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\ΔF}& \mathrm{\ΔS}& \mathrm{\ΔH}\end{array}\right):$

ΔF-船艏方向偏差，

ΔS-右舷方向偏差，

ΔH-垂向偏差；

(6)声头坐标系的三个坐标轴相对于船心坐标系的定向误差 $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{W}=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}\end{array}\right):$

α-声头坐标系纵轴与船艏方向的夹角，

β-声头坐标系横轴与右舷方向的夹角，

γ-声头坐标系的垂向与船心坐标系的垂向之间的夹角；

(7)尺度比参数Δu：该参数乘以工作区域的平均声速，即为声速改正值。

3、根据权利要求2所述用于超短基线声学定位系统的校准方法，其特征在于：所述的计算应答器的位置

和该声头至GPS天线之间的位置偏差

是将应答器在该声头坐标系中的坐标 ${\stackrel{\→}{X}}_H^R=\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)$ 转化为该声头至应答器之间的几何距离，即：

$S=\sqrt{x^2+y^2+z^2}---\left(1\right);$

为确定声头的位置偏差

和应答器的位置采用如下步骤：

1)根据位置偏差

应答器的位置

GPS天线的地理位置

和姿态数据之间的几何关系，构建声头的地理位置 ${\stackrel{\→}{X}}_T=\left(\begin{array}{ccc}{N}_T& E_T& H_T\end{array}\right)$ 的表达式：

${\stackrel{\→}{X}}_T={\stackrel{\→}{X}}_G+R_U^T\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T---\left(2\right);$

其中，R_U为地理坐标系至船心坐标系的旋转矩阵，它是三个姿态角的函数，其具体表达式为：

2)根据该声头和应答器之间测量得到的距离与几何距离的关系，建立观测模型：

v＝ρ-S·(1+Δu)                                (4)；

其中，S为(1)式计算的距离，ρ为声头至应答器的几何距离，即

$\mathrm{\ρ}=|{\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_T|=\sqrt{{(N_R-N_T)}^2+{(E_R-E_T)}^2+{(H_R-H_T)}^2}---\left(5\right);$

由于存在测量误差，测量距离S不可能等于几何距离ρ，这里用v来表示测量误差；

3)确定系数矩阵并解算法方程：

将(2)、(3)和(5)代入到(4)后，经过线性化，得到误差方程为：

$v=\stackrel{\→}{a}\·\stackrel{\→}{x}-l---\left(6\right);$

其中，

为7×1阶未知数向量，包括7个未知数，即声头的3个位置偏差未知数、应答器的3个位置未知数和1个尺度比参数未知数；

为已知的1×7阶系数向量，l为常数项；

将N个误差方程写成矩阵-向量的形式，得到：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{A}\·\stackrel{\→}{x}-\stackrel{\→}{L}$

其中，

为N×1阶残差向量，

为N×7阶系数矩阵，

为N×1阶常数项向量；由最小二乘准则，得到未知数的解算结果为：

$\stackrel{\→}{x}={\left(A^T\mathrm{PA}\right)}^{-1}{A}^T\mathrm{PL}$

Q＝(A^TPA)^-1    其中，N为观测值组数                        (7)。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{V^T\mathrm{PV}/(N-7)}$

4、根据权利要求2所述用于超短基线声学定位系统的校准方法，其特征在于：所述的计算该声头的定向误差，是将所得到的应答器的位置

和该声头的位置偏差值

作为已知值，计算该声头的定向误差，采用如下步骤：

1)在船心坐标系下应答器的理论位置：

由于应答器的地理位置

和声头的地理位置

已知，通过坐标系的旋转，可以得到在船心坐标系下应答器的位置

为：

${\stackrel{\→}{X}}_S^R=R_U({\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_T)=R_U({\stackrel{\→}{X}}_R-{\stackrel{\→}{X}}_G)-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{X}}_T---\left(8\right);$

2)在船心坐标系下应答器的量测位置：

由于假如声头坐标系与船心坐标系的坐标轴之间的定向误差已知，声头坐标系至船心坐标系的旋转矩阵为R_S，在声头坐标系下应答器的观测站为

于是在船心坐标系下，应答器的量测值为：

${\stackrel{\→}{Y}}_S^R=R_S{\stackrel{\→}{X}}_H^R---\left(9\right);$

其中，旋转矩阵R_S是定向误差(αβγ)的函数，其定义如下：

$R_S=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\β}\\ -\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}\\ \sin \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\α}-\cos \mathrm{\γ}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\γ}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right)---\left(10\right);$

3)建立观测模型：

由于系统自身测量误差的存在，两者之间存在细微差异，由此得到观测模型为：

$\stackrel{\→}{V}={\stackrel{\→}{X}}_S^R-(1+\mathrm{\Δ\μ}){\stackrel{\→}{Y}}_S^R---\left(11\right);$

由于声头坐标系与船心坐标系的定向误差是未知的，这三个未知数包含在旋转矩阵R_S中；将(8)、(9)和(10)式代入到(11)式，并经线性化后，得到如下误差方程：

$\stackrel{\→}{v}=\stackrel{\→}{b}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{f}---\left(12\right);$

式中，

为3×3阶系数矩阵，

为3×1阶常数项向量，

为3×1阶未知数向量，即为声头的三个定向误差(αβγ)，

为3×1阶残差向量。

设共有N组观测量，可以得到N组形如(12)的误差方程，写成矩阵-向量形式，得到：

$\stackrel{\→}{V}=\stackrel{\→}{B}\·\stackrel{\→}{y}-\stackrel{\→}{F}$

其中，

为3N×1阶阶残差向量，

为3N×3阶系数矩阵，

为3N×1阶常数项向量；由最小二乘准则，得到未知数的解算结果为：

$\stackrel{\→}{y}={\left(B^T\mathrm{PB}\right)}^{-1}{B}^T\mathrm{Pf}$

Q＝(B^TPB)^-1    其中，N为观测值组数            (13)。

$\mathrm{\σ}=\sqrt{V^T\mathrm{PV}/(3N-3)}$

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