CN102262226B - 基于差分技术的水下定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供基于差分技术的水下定位方法，首先通过水下应答器接收短基线水声定位单元询问机的询问信号后发出应答信号，确定水下应答器的伪距值；其次，通过询问应答方式测出询问机与应答器之间的距离，记录高精度DGPS的位置数据，得出的应答器位置为绝对参考位置；最后计算应答器到短基线各阵元的距离，并将此计算出的真实距离与利用短基线应答方式实测的伪距值加以比较，求出修正值，然后利用该修正值来修正短基线定位系统测量应答器的伪距值，得到应答器的位置坐标，完成水下定位。本发明算法简单，只需在定位测距方程中加修正量即可，适用于大部分水下定位系统。可以有效消除系统的公共误差，提高定位物体精度。

Description

基于差分技术的水下定位方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下的定位方法。

背景技术

由于电磁波在海水高导电介质中传播有极大的衰减，限制了无线电导航设备。与之相反，声学信号在海水中传播衰减很小，可以穿过较远的距离，近年来，水声定位技术在水下测深、定位、目标探测与识别、通信、导航、遥控、油气探寻、矿产开发等领域得到了广泛的应用。水声定位系统主要指的是可用于局部区域精确定位导航的系统。水声定位系统分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统。短基线定位系统相对于长基线定位系统，其布放、校准和回收简单。而相对于超短基线定位系统，其定位精度又远远高于超短基线定位系统，并且其数据更新率高，成本相对低廉，使用比较灵活。适合于水下机器人定位、跟踪系统。

发明内容

本发明的目的在于提供可以有效消除系统的公共误差、提高定位物体精度的基于差分技术的水下定位方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于差分技术的水下定位方法，其特征是：

(1)利用短基线水声定位单元询问机向水下应答器发出询问信号，水下应答器接收到询问信号后发出应答信号，测出应答信号相对于发射信号的时延，进而计算两者的距离，再通过相互距离交汇解算确定水下应答器的伪距值；

(2)采用声学长基线方式让工作船询问机在高精度DGPS引导下绕着应答器航行，通过询问应答方式测出询问机与应答器之间的距离，记录高精度DGPS的位置数据，通过空间曲面交汇解算出应答器的大地坐标，得出的应答器位置为绝对参考位置；

(3)利用得到的应答器绝对位置坐标和短基线各阵元位置坐标，计算应答器到短基线各阵元的距离，并将此计算出的真实距离与利用短基线应答方式实测的伪距值加以比较，求出修正值，然后利用该修正值来修正短基线定位系统测量应答器的伪距值，得到应答器的位置坐标，完成水下定位。

本发明的优势在于：算法简单，只需在定位测距方程中加修正量即可，适用于大部分水下定位系统。可以有效消除系统的公共误差，提高定位物体精度。

附图说明

图1为本发明的短基线水下定位测距原理图；

图2为本发明的长基线校准应答器绝对位置实现框图；

图3为本发明的短基线差分定位实现框图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明的步骤包括：

(1)利用短基线水声定位单元询问机向水下应答器发出询问信号，水下应答器接收到询问信号后发出应答信号，测出应答信号相对于发射信号的时延，进而计算两者的距离，再通过相互距离交汇解算确定水下应答器的伪距值；

(2)采用声学长基线方式让工作船询问机在高精度DGPS引导下绕着应答器航行，通过询问应答方式测出询问机与应答器之间的距离，记录高精度DGPS的位置数据，通过空间曲面交汇解算出应答器的大地坐标，得出的应答器位置为绝对参考位置；

(3)利用得到的应答器绝对位置坐标和短基线各阵元位置坐标，计算应答器到短基线各阵元的距离，并将此计算出的真实距离与利用短基线应答方式实测的伪距值加以比较，求出修正值，然后利用该修正值来修正短基线定位系统测量应答器的伪距值，得到应答器的位置坐标，完成水下定位。

具体实施方案包括：

1、短基线测距实施方案

本发明是采用短基线定位系统，工作在应答方式下，短基线阵水声定位单元安装有询问问答机，而应答器是置于海底或装在载体上的发射/接收器。应答器只在收到问答机发出的询问信号时才回答。当无询问信号时，它保持安静，以便延长电池寿命。应答器不需要简化假设，可以利用绝对往返时间求解。采用应答器时，为了解得应答器的位置坐标，首要任务是确定各短基线基阵与应答器的距离R。通过交汇解算得出定位物体坐标在船坐标系的相对坐标，然后结合GPS方位信息坐标转换为大地坐标。

具体定位几何原理如图(1)所示，首先定义位置坐标，设母船中心位置为原始坐标(0，0，0)。设应答器的坐标为T(x，y，z)，有4个水听器位于边长为2a，2b的矩形顶点。不考虑声线弯曲时，由几何关系可得到定位方程：

R₁ ²＝(x-a)²+(y+b)²+z²    (1)

R₂ ²＝(x-a)²+(y+b)²+z²    (2)

R₃ ²＝(x-a)²+(y+b)²+z²    (3)

R₄ ²＝(x-a)²+(y+b)²+z²    (4)

消去z，得到：

R₃ ²-R₁ ²＝4ax    (5)

R₄ ²-R₂ ²＝4ax    (6)

R₁ ²-R₂ ²＝4by    (7)

R₃ ²-R₄ ²＝4by    (8)

解为：

$x=\frac{({R_3}^2-{R_1}^2)+({R_4}^2-{R_2}^2)}{8a}---\left(9\right)$

$y=\frac{({R_1}^2-{R_2}^2)+({R_3}^2-{R_4}^2)}{8b}---\left(10\right)$

由式(1)-式(4)的任意式可解得z，即得到4个可能的深度值：

z₁＝[R₁ ²-(x-a)²-(y+b)²]^1/2(11)

z₂＝[R₂ ²-(x-a)²-(y+b)²]^1/2(12)

z₃＝[R₃ ²-(x-a)²-(y+b)²]^1/2(13)

z₄＝[R₄ ²-(x-a)²-(y+b)²]^1/2(14)

利用四个平均可得到深度的均值，即

$\stackrel{\‾}{z}=\frac{z_1+z_2+z_3+z_4}{4}---\left(15\right)$

2、确定应答器绝对位置坐标方案

参考应答器坐标作为参考坐标，其测量精度直接影响差分系统的修正值。当系统选择在浅水区工作时，可以认为在水面处利用DGPS技术测出的位置坐标便是参考应答器的绝对位置坐标，当系统选择工作在深水区时，可以利用声学测量长基线定位技术来确定水下应答器绝对位置坐标，长基线因其基线长度长，定位精度高。其具体实施方式为如图(2)所示。采用长基线绝对校准技术方法为：工作船在GPS引导下绕着待测应答器航行，利用升降机构将短基线阵的询问机换能器深入水下，选取待测点，通过询问应答方式测出询问机与待测应答器之间的距离，记录测量点GPS的位置数据，通过空间曲面交汇解算出应答器的大地坐标。其实，绝对校准过程是定位过程的逆过程，但是，由于绝对校准基线时基线长度长，测距产生的误差远远小于短基线定位过程中测距产生的误差，因而，我们可以认为，利用长基线定位测得的水下应答器的位置坐标为其绝对参考坐标。在绝对校准过程中，要求工作船保持低速运行，运行轨迹尽量满足以应答器为中心。设应答器的坐标为(x，y，z)，在不同测量点工作母船上的换能器的坐标为(x_i，y_i，z_i)，应答时延为t_i，声速为c，定位方程如下：

(x_i-x)²+(y_i-y)²+(z_i-z)²＝(ct_i)²i＝1，2，3，4.....N    (16)

在绝对校准过程中尽量按照几何关系多测几组数据，在交汇解算参考应答器过程中可以利用解矛盾方程组最小二乘法找到最优解。

3、伪距差分技术实施方案

差分技术很早就被人们所应用，其主要原理是利用一个基准参考站位置坐标去修正其他位置坐标。伪距差分技术需要知道一个已知基准点位置的绝对坐标，我们利用前面方法得到的应答器绝对位置坐标值参考(x，y，z)，短基线差分定位实现框图及流程图如图(3)所示。其利用短基线测阵校准算法结合高精度DGPS信息得到各阵元的位置坐标(x_n，y_n，z_n)。这样，利用每一时刻计算的短基线阵各水声定位阵元的位置坐标和参考应答器的位置坐标，利用方程：

R_n＝((x_n-x)²+(y_n-y)²+(z_n-z)²)^1/2    (17)

可反求出每一时刻到参考应答器的真距R_n。伪距修正量Δρ_n＝R_n-ρ_n和他的变化率Δρ_n′＝Δρ_n/Δt。ρ_n为短基线各基阵元实测得到的水下应答器伪距值。因而加给用户的修正量为Δρ_n ⁰＝Δρ_n+Δρ_n′(t-t₀)。参考应答器将Δρ_n和Δρ_n′传给短基线阵各水声定位阵元，短基线阵各水声定位单元测量出伪距ρ_n ⁰，再加上以上的修正量，便求得经过改正的伪距，即

ρ⁰ _corr(t)＝ρ_n ⁰(t)+Δρ_n(t)+Δρ_n′(t-t₀)(18)

利用改正后的伪距ρ⁰ _corr(t)再结合短基线定位结算方程：

((x_n-x)²+(y_n-y)²+(z_n-z)²)^1/2+c*dτ＝ρ⁰ _corr(t)。(19)

(x_n，y_n，z_n)为短基线各阵元位置坐标，c是声速，dτ为用户钟差。便可以得到经过差分修正后的待测应答器位置坐标(x，y，z)。

Claims (1)

1.基于差分技术的水下定位方法，其特征是：

（1）利用短基线水声定位单元询问机向水下待测应答器发出询问信号，水下待测应答器接收到询问信号后发出应答信号，测出待测应答信号相对于发射信号的时延，进而计算两者的距离，再通过相互距离交汇解算确定水下待测应答器的伪距值；

（2）当在浅水区工作时，在水面处利用DGPS技术测出的位置坐标便是参考应答器的绝对位置坐标；当在深水区工作时，利用声学测量长基线定位技术确定水下参考应答器绝对位置坐标；所述的长基线定位技术为：工作船在GPS引导下绕着参考应答器航行，利用升降机构将短基线阵的询问机换能器深入水下，选取待测点，通过询问应答方式测出询问机与参考应答器之间的距离，记录测量点GPS的位置数据，通过空间曲面交汇解算出参考应答器的大地坐标，即参考应答器绝对位置坐标，在绝对校准过程中，工作船保持低速运行，运行轨迹以参考应答器为中心；

（3）利用测量在浅水区或深水区时，对应的浅水区或深水区对应得到的参考应答器绝对位置坐标和短基线各阵元位置坐标，计算参考应答器到短基线各阵元的距离，并将此计算出的真实距离与利用短基线应答方式实测的伪距值加以比较，求出修正值，然后利用该修正值来修正短基线定位系统测量待测应答器的伪距值，得到待测应答器的位置坐标，完成水下定位。

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