CN101644759A

CN101644759A - 一种基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法

Info

Publication number: CN101644759A
Application number: CN200810240813A
Authority: CN
Inventors: 田杰; 张扬帆; 黄海宁
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2028-12-23
Also published as: CN101644759B

Abstract

本发明提供一种基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法。该系统在被定位装置上安装一个询问机以及两个接收机并使其刚性连接；被定位装置上同时应安装一个姿态测量装置，能够连续输出两个接收器的俯仰角，在将被定位装置放入水中时，启动询问机发出询问信号，水声应答器收到询问机发出的询问信号后发送应答信号，各应答器采用不同频率的应答信号，被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻以及该时刻的俯仰角；根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，从而解算位置坐标。本发明基于水声信号进行，通过测量两个接收机与应答器之间的声信号传播时间来实时确定接收机的位置，不需要对声速进行修正或迭代，实时性较好。

Description

一种基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及水声工程领域，特别涉及一种用于水声导航和水声定位系统的基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法。

背景技术

图1是现有的长基线定位系统的工作示意图。它利用应答器阵来确定被定位载体的位置。工作前，通常由水面的母船布放海底应答器阵，并对海底应答器阵进行位置校准。实施定位时，被定位装置进入水下，被定位装置上装有询问机，用于发射询问声波，当各个海底应答器收到询问声波后，将返回一个应答声波。各个海底应答器的应答声波频率通常是不同的，被定位装置上的一个接收机接收不同频率的应答声波就可以区分不同的应答器，被定位装置记录询问时刻以及各应答信号到达时刻，利用声波到各应答器的往返时间确定各应答器与被定位装置的距离，根据这些距离，通过定位方程便可以解算出需要的位置坐标。但是，定位方程中，距离的计算是水中声速与往返时间的乘积，传统长基线系统定位方法中认为声音沿直线传播，声速是常数，而实际上严格来讲，水中声速并不是常数，声音在水下传播路径是弯曲的。这就造成水中声速是一个随空间变化的量，受到水下环境，如噪声、折射、温度、盐度等因素的影响，传统的水声定位系统主要缺陷在于忽略了这些影响，导致定位精度不高。

对此许多人提出了解决方法，主要的思路是对声速进行修正，如声线修正法、平均声速法、多项式近似法等等。这些方法有一定的效果，但由于海底环境异常复杂，在实际运用中存在不易收敛或精度受到限制等问题。近些年也有人提出通过多重迭代对声速进行实时修正，使通过计算获得的测量位置逐步接近其真实位置，但是这种方法需要经过多次迭代才能逐渐逼近真实值，实时性较差。

发明内容

为了解决水声长基线定位系统中声速修正问题，本发明的目的是提供一种基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法，该系统基于水声信号进行，通过测量两个接收机与应答器之间的声信号传播时间来实时确定接收机的位置，不需要对声速进行修正或迭代，实时性较好。

为了实现上述目的，本发明的基于二元结构的水下目标定位系统，包括：水声应答器、被定位装置(通常是需要进行水下定位的装置，如各种潜器)，其特征在于，在所述被定位装置上安装一个询问机以及两个接收机，两个接收机之间刚性连接，保证其相对位置不变，所述询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收机之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度，即两个应答机之间的最远距离；被定位装置上同时应安装一个姿态测量装置，能够连续输出两个接收器的俯仰角，在将被定位装置放入水中时，启动询问机，发出询问信号，所述水声应答器收到询问机发出的询问信号后发送应答信号，各所述应答器采用不同频率的应答信号，所述被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻以及该时刻的俯仰角；根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，从而解算位置坐标。

其中，所述水声应答器布成任意多边形阵固定到水下或者放置在海面浮标上，当放置到海面浮标上时通过浮标上的GPS确定其位置。

另外，本发明的基于二元结构的水下目标定位方法，包括如下步骤：

1)将水声应答器布成任意多边形阵(通常布成正多边形阵)，并进行时统；

2)将被定位装置上的两个接收机刚性连接，保证其相对位置不变，询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收器之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度，即两个应答机之间的最远距离。其间距使得从发射器到两个接收器的声线接近，其声速变化基本相同，从而可以抵消。

3)将被定位装置放入水中，启动询问机，发出询问信号；

4)水声应答器收到询问机发出的询问信号后发送应答信号，各应答器采用不同频率的应答信号；

5)被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻，以及该时刻的俯仰角；

6)根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，进行数据处理解算位置坐标。

本发明的基于二元结构的水下目标定位系统的有益效果在于：通过刚性连接的两个接收机抵消了弯曲声线对定位系统的影响，并且无需对声速进行实时修正；通过姿态测量机构监测接收机的姿态可以减少需要的水声应答器数，并且定位迅速，无需迭代。

附图说明

图1为现有的长基线定位系统的工作过程示意图；

图2为本发明的基于二元结构的水下目标定位系统中两个接收机刚性连接示意图；

图3为本发明的基于二元结构的水下目标定位方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本例中采用海底应答器的方式，在实施中采用海面应答器也可以。

长基线系统是将由海面母船投放的应答器布置成一个合适的海底几何阵，通过测量被定位装置与海底应答器之间的传播时间来确定位置。从原理上讲，系统导航定位只需要3个海底应答器就可以，但是产生了目标的偏离模糊问题，另外不能测量目标的水深，所以一般需要四个或四个以上的应答器，提高测量精度，系统的工作方式是距离测量。

如图1所示，固定坐标系的原点可取在海平面的任一固定点，Z轴方向指向海底。海底应答器T₁、T₂、T₃的坐标可通过水声定位获得，设分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)。若需要定位的装置测得它与各应答器之间的信号的传播时间分别为t₁，t₂，t₃，则它与各应答器之间的斜距r可表示为：r_i＝c t_i(i＝1，2，3)，其中c为声速。

设在k时刻，海底ROV的测量坐标为(x_k，y_k，z_k)，则

\sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = c t_{i} - - - (1)

长基线定位系统的精度与许多因素有关，主要由几何误差和距离测量误差决定。几何误差包括海底应答器基阵之间的位置误差以及海面母船相对于每个应答器的位置误差，这些因素取决于设备的最初安装精度以及海底基阵的合理布局。因此，这些误差可以降低到测量技术的精度范围之内。测量误差对系统精度来说占有很大比重，它主要由声速误差影响。一般而言，声速随深度而变化，而且还与海水的温度、盐度有关。同时，由于声折射产生声线弯曲，距离和声线路径有差别。所以要获得较高的精度，必须对声速进行必要的修正。通常最为直接的方法就是，利用声速剖面仪测出声速剖面，并由计算机进行修正。但这样势必增加成本、并且测量的实时性难以保证。

从(1)式可见，上述影响主要是由于声速的不确定性造成的。从各应答器到接收机之间的传播路径不同，声速就不同，所以(1)式应修正为

\sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = c_{i} t_{i} - - - (2)

其中，c_i为从第i个应答器到接收机之间的声速。

本发明的基于二元结构的水下目标定位系统及定位方法是在现有的长基线定位系统的基础上进行改进的。本发明的基于二元结构的水下目标定位系统，包括：水声应答器、被定位装置(通常是需要进行水下定位的装置，如各种潜器)，其特征在于，在所述被定位装置上安装一个询问机以及两个接收机，两个接收机之间刚性连接，保证其相对位置不变，所述询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收机之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度，即两个应答机之间的最远距离；被定位装置上同时应安装一个姿态测量装置，能够连续输出两个接收器的俯仰角，在将被定位装置放入水中时，启动询问机，发出询问信号，所述水声应答器收到询问机发出的询问信号后发送应答信号，各所述应答器采用不同频率的应答信号，所述被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻以及该时刻的俯仰角；根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，从而解算位置坐标。

本发明提出在需要定位的装置上安装两套同样的接收机，同时接收海底应答器发射的信号。设在k时刻接收机1的坐标为(x_k，y_k，z_k)，接收机2的坐标为(X_k，Y_k，Z_k)，

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = c_{i} t_{i} \\ \sqrt{{(X_{k} - x_{i})}^{2} + {(Y_{k} - y_{i})}^{2} + {(Z_{k} - z_{i})}^{2}} = c_{i} T_{i} \end{matrix} - - - (3)

其中，t_i为从第i个应答器到接收机1的往返时间，T_i为从第i个应答器到接收机2的往返时间，都由测量得到。

由于接收机1与接收机2的位置接近，可以认为从各应答器到达他们的声线相同，从而声速也相同，(3)式可变为

T_{i} \sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = t_{i} \sqrt{{(X_{k} - x_{i})}^{2} + {(Y_{k} - y_{i})}^{2} + {(Z_{k} - z_{i})}^{2}} - - - (4)

(4)式中有6个未知数，需要有6个海底应答器才能得到确定解，但如果有其他辅助手段则可以减少海底应答器的数量。

这样可以通过一个姿态测量机构(可以是惯性系统，如陀螺、加速度计等)用于监测两个接收机的俯仰角，若k时刻俯仰角为θ_k，通过该俯仰角可以确定

Z_k＝z_k+L·cosθ_k (5)

此外，由于两个接收机之间为刚性连接，所以有

\sqrt{{(X_{k} - x_{k})}^{2} + {(Y_{k} - y_{k})}^{2} + {(Z_{k} - z_{k})}^{2}} = L

即：

(X_k-x_k)²+(Y_k-y_k)²+h²＝L² (6)

其中，L为两个接收机之间的间距。

由于(5)式和(6)式，(4)式中的方程可以减少为4个，即只需要4个海底应答器就可以得到确定解，所需应答器的数量与目前工程中的用量一致。

把(4)写开，

\{\begin{matrix} T_{1} \sqrt{{(x_{k} - x_{1})}^{2} + {(y_{k} - y_{1})}^{2} + {(z_{k} - z_{1})}^{2}} = t_{1} \sqrt{{(X_{k} - x_{1})}^{2} + {(Y_{k} - y_{1})}^{2} + {(Z_{k} - z_{1})}^{2}} \\ T_{2} \sqrt{{(x_{k} - x_{2})}^{2} + {(y_{k} - y_{2})}^{2} + {(z_{k} - z_{2})}^{2}} = t_{2} \sqrt{{(X_{k} - x_{2})}^{2} + {(Y_{k} - y_{2})}^{2} + {(Z_{k} - z_{2})}^{2}} \\ T_{3} \sqrt{{(x_{k} - x_{3})}^{2} + {(y_{k} - y_{3})}^{2} + {(z_{k} - z_{3})}^{2}} = t_{3} \sqrt{{(X_{k} - x_{3})}^{2} + {(Y_{k} - y_{3})}^{2} + {(Z_{k} - z_{3})}^{2}} \\ T_{4} \sqrt{{(x_{k} - x_{4})}^{2} + {(y_{k} - y_{4})}^{2} + {(z_{k} - z_{4})}^{2}} = t_{4} \sqrt{{(X_{k} - x_{4})}^{2} + {(Y_{k} - y_{4})}^{2} + {(Z_{k} - z_{4})}^{2}} \\ T_{5} \sqrt{{(x_{k} - x_{5})}^{2} + {(y_{k} - y_{5})}^{2} + {(z_{k} - z_{5})}^{2}} = t_{5} \sqrt{{(X_{k} - x_{5})}^{2} + {(Y_{k} - y_{5})}^{2} + {(Z_{k} - z_{5})}^{2}} \\ T_{6} \sqrt{{(x_{k} - x_{6})}^{2} + {(y_{k} - y_{6})}^{2} + {(z_{k} - z_{6})}^{2}} = t_{6} \sqrt{{(X_{k} - x_{6})}^{2} + {(Y_{k} - y_{6})}^{2} + {(Z_{k} - z_{6})}^{2}} \end{matrix}

上式对应着6个应答器，有6个方程，6个未知数，可解。但由于同时有(5)式和(6)式，于是

\{\begin{matrix} T_{1} \sqrt{{(x_{k} - x_{1})}^{2} + {(y_{k} - y_{1})}^{2} + {(z_{k} - z_{1})}^{2}} = t_{1} \sqrt{{(X_{k} - x_{1})}^{2} + {(Y_{k} - y_{1})}^{2} + {(Z_{k} - z_{1})}^{2}} \\ T_{2} \sqrt{{(x_{k} - x_{2})}^{2} + {(y_{k} - y_{2})}^{2} + {(z_{k} - z_{2})}^{2}} = t_{2} \sqrt{{(X_{k} - x_{2})}^{2} + {(Y_{k} - y_{2})}^{2} + {(Z_{k} - z_{2})}^{2}} \\ T_{3} \sqrt{{(x_{k} - x_{3})}^{2} + {(y_{k} - y_{3})}^{2} + {(z_{k} - z_{3})}^{2}} = t_{3} \sqrt{{(X_{k} - x_{3})}^{2} + {(Y_{k} - y_{3})}^{2} + {(Z_{k} - z_{3})}^{2}} \\ T_{4} \sqrt{{(x_{k} - x_{4})}^{2} + {(y_{k} - y_{4})}^{2} + {(z_{k} - z_{4})}^{2}} = t_{4} \sqrt{{(X_{k} - x_{4})}^{2} + {(Y_{k} - y_{4})}^{2} + {(Z_{k} - z_{4})}^{2}} \\ Z_{k} = z_{k} + L \cdot \cos θ_{k} \\ \sqrt{{(X_{k} - x_{k})}^{2} + {(Y_{k} - y_{k})}^{2} + {(Z_{k} - z_{k})}^{2}} = L \end{matrix}

上式同样有6个方程，6个未知数，可解。也就是说，只需要4个海底应答器就可以得到确定解。

另外，本发明的基于二元结构的水下目标定位方法的工作流程包括以下步骤：

1)将水底的应答器进行时统处理并布置成一个合适的几何阵(例如布成正多边形阵)，并进行时统，测出各应答器的坐标；

2)将被定位装置上的两个接收机刚性连接，保证其相对位置不变，询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收器之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度，即两个应答机之间的最远距离。其间距使得从发射器到两个接收器的声线接近，其声速变化基本相同，从而可以抵消；

3)将被定位装置放入水中，启动定位程序，被定位装置上的询问机向各应答器发出询问讯号，同时记录询问时间，另外，安装在被定位装置上的姿态测量装置实时输出其俯仰角；

5)被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻，以及该时刻的俯仰角；被定位装置上的两个接收机接收到应答讯号后计算传播时间

6)根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，进行数据处理解算位置坐标，由(4)、(5)、(6)式计算该时刻的定位数据。

定位精度计算是将在标准点和GPS接收机在同一坐标系统下用直角坐标进行比较，通过计算得到在测量点的定位精度。

综上所述，本发明的基于二元结构的水下目标定位系统可有效地解决长基线定位系统中声速修正问题。

以上是对本发明的方法在一个实施例中实现时的具体流程的说明，在该实施例中应答器放置在海底，在实际应用时，除了上述实施例所列举的方法外，还可以做如下改变：将应答器放置在海面浮标上，注意到海面浮标的位置不像海底应答器那样固定，在这种应用当中，应答器的坐标也是时变的，可以通过浮标上的GPS确定。

Claims

1、一种基于二元结构的水下目标定位系统，包括：多个水声应答器、被定位装置，其特征在于，

在所述被定位装置上安装一个询问机以及两个接收机，该两个接收机之间进行刚性连接，使其相对位置保持不变，所述询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收机之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度，是任意两个水声应答机之间的最远距离；被定位装置上同时安装一个姿态测量装置，连续输出所述两个接收器的俯仰角，

在将被定位装置放入水中后，启动所述询问机，其发出询问信号，所述各水声应答器在收到所述询问机发出的询问信号后发送应答信号，所述各水声应答器采用不同频率的应答信号，所述被定位装置上的两个接收机收到应答信号后，记录接收时刻以及该时刻的俯仰角，然后根据接收时刻确定两个接收机与应答器之间的传播时间，从而解算位置坐标。

2、如权利要求1所述的基于二元结构的水下目标定位系统，其特征在于，所述水声应答器固定到水下或者放置在海面浮标上，当放置到海面浮标上时通过浮标上的GPS确定其位置。

3、如权利要求2所述的基于二元结构的水下目标定位系统，其特征在于，所述水声应答器布成任意多边形阵。

4、一种基于二元结构的水下目标定位方法，包括如下步骤：

1)将水声应答器布成几何阵，并进行时统；

2)将被定位装置上的两个接收机刚性连接，保证其相对位置不变，询问机安装在两个接收器连线的1/2处，两个接收器之间的间距L满足L≤0.017R，R为基线的长度。

3)将被定位装置放入水中，启动询问机，发出询问信号；

5、如权利要求4所述的基于二元结构的水下目标定位方法，其特征在于，所述水声应答器布成任意多边形阵。

6、如权利要求4所述的基于二元结构的水下目标定位方法，其特征在于，设置有4个所述水声应答器，若设在k时刻接收机(1)的坐标为(x_k，y_k，z_k)，接收机(2)的坐标为(X_k，Y_k，Z_k)，则

\{\begin{matrix} \sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = c_{i} t_{i} \\ \sqrt{{(X_{k} - x_{i})}^{2} + {(Y_{k} - y_{i})}^{2} + {(Z_{k} - z_{i})}^{2}} = c_{i} T_{i} \end{matrix}

其中，t_i为从第i个应答器到接收机1的往返时间，T_i为从第i个应答器到接收机2的往返时间，c_i为从第i个应答器到接收机之间的声速。

由于接收机(1)与接收机(2)的位置接近，则从各应答器到达他们的声线基本相同，从而声速也相同，由此，上式变为：

T_{i} \sqrt{{(x_{k} - x_{i})}^{2} + {(y_{k} - y_{i})}^{2} + {(z_{k} - z_{i})}^{2}} = t_{i} \sqrt{{(X_{k} - x_{i})}^{2} + {(Y_{k} - y_{i})}^{2} + {(Z_{k} - z_{i})}^{2}}

另外，通过所述姿态测量机构监测两个接收机的俯仰角，若k时刻俯仰角为θ_k，通过该俯仰角确定：

Z_k＝z_k+L·cosθ_k (5)

此外，由于两个接收机之间为刚性连接，所以有

\sqrt{{(X_{k} - x_{k})}^{2} + {(Y_{k} - y_{k})}^{2} + {(Z_{k} - z_{k})}^{2}} = L

其中，L为两个接收机之间的间距，

综合上述各式得出：

\{\begin{matrix} T_{1} \sqrt{{(x_{k} - x_{1})}^{2} + {(y_{k} - y_{1})}^{2} + {(z_{k} - z_{1})}^{2}} = t_{1} \sqrt{{(X_{k} - x_{1})}^{2} + {(Y_{k} - y_{1})}^{2} + {(Z_{k} - z_{1})}^{2}} \\ T_{2} \sqrt{{(x_{k} - x_{2})}^{2} + {(y_{k} - y_{2})}^{2} + {(z_{k} - z_{2})}^{2}} = t_{2} \sqrt{{(X_{k} - x_{2})}^{2} + {(Y_{k} - y_{2})}^{2} + {(Z_{k} - z_{2})}^{2}} \\ T_{3} \sqrt{{(x_{k} - x_{3})}^{2} + {(y_{k} - y_{3})}^{2} + {(z_{k} - z_{3})}^{2}} = t_{3} \sqrt{{(X_{k} - x_{3})}^{2} + {(Y_{k} - y_{3})}^{2} + {(Z_{k} - z_{3})}^{2}} \\ T_{4} \sqrt{{(x_{k} - x_{4})}^{2} + {(y_{k} - y_{4})}^{2} + {(z_{k} - z_{4})}^{2}} = t_{4} \sqrt{{(X_{k} - x_{4})}^{2} + {(Y_{k} - y_{4})}^{2} + {(Z_{k} - z_{4})}^{2}} \\ Z_{k} = z_{k} + L \cdot \cos θ_{k} \\ \sqrt{{(X_{k} - x_{k})}^{2} + {(Y_{k} - y_{k})}^{2} + {(Z_{k} - z_{k})}^{2}} = L \end{matrix}

由此求出位置坐标。