CN103529451A - 一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于水下导航定位领域，具体涉及一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法。本发明包括：布放应答器；载有GPS和水声基阵的母船在应答器上方水平面以应答器入水点为圆心，绕应答器做圆周运动，向应答器发出信号，并接收应答器的返回信号，通过信号的往返时间，得到基阵坐标系原点与应答器的距离，同时记下母船坐标，采集第一次数据；母船再反方向做圆周运动，采集到第二组数据；重复执行步骤（2）（3）N次，总共采集到N组数据,其中寻优代价函数：对采集到的数据进行处理，解算出应答器的真实坐标，从而实现对应答器坐标位置的校准。本发明相对于传统的母船只朝一个方向作圆周运动采集数据，解算出来的应答器坐标校准精度更高。

Description

一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法

技术领域

本申请属于水下导航定位领域，具体涉及一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法。

背景技术

由于在水下环境无法利用GPS导航，而传统导航手段通常会由于误差的累积，在长时间航行之后，导致导航误差增大。因此，通过在海底布放应答器，利用已知坐标的应答器与无人水下航行器进行位置校准，可以有效提高导航精度。

当无人水下航行器运动到应答器作用范围内，无人水下航行器向应答器发出信号，应答器接到信号并响应。通过计算信号往返时间，得到应答器与无人水下航行器之间的距离信息。通过基阵接收信号的相位差，可以得到应答器相对于无人水下航行器的角度信息。利用应答器进行导航定位时，根据具体的条件。可以单纯利用距离信息，或单纯利用方位信息进行定位，也可以同时获得距离和方位信息。应答器的已知坐标精度，直接影响到无人水下航行器导航定位精度。应答器在布放时，由于受到海流，或其他因素影响，应答器到达海底之后，应答器的坐标通常与入水点坐标之间有一定的偏移误差。为了获得精确的应答器坐标，需要对应答器坐标进行校准。通常的做法是利用载有GPS和水声基阵的母船绕应答器入水点做圆周运动，或多边形运动，采集到一组数据，经过解算得到应答器的真实坐标。而GPS与水声基阵在母船上的坐标同样会存在测量误差，这种测量误差会随着计算带入应答器坐标，直接影响应答器坐标的校准精度。

发明内容

本发明的目的在于提出应答器坐标校准精度更高的一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）布放应答器；

（2）载有GPS和水声基阵的母船在应答器上方水平面以应答器入水点为圆心，绕应答器做圆周运动，向应答器发出信号，并接收应答器的返回信号，通过信号的往返时间，得到基阵坐标系原点与应答器的距离，同时记下母船坐标，采集第一次数据,应答器在大地坐标系下的坐标与母船GPS与水声基阵之间的坐标变换为：

$X_T^G=X_D^G-R_B^{G}X_D^B+R_B^G(R_O^{B}X_T^O+X_O^B)$

其中，^GX_T为大地坐标系下应答器的坐标，^GX_D为大地坐标系下GPS的坐标，^BX_D为船体坐标系下GPS的坐标，

为大地坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，

为船体坐标系到基阵坐标系的旋转矩阵，^OX_T为基阵坐标系下应答器的坐标，^BX_O为船体坐标系下基阵的坐标，基阵坐标系是与船体坐标系重合，从而

为单位矩阵得：

$X_T^O=R_{-1}^B{}_G(X_T^G-X_D^G)+X_D^B-X_O^B$

第i次采集数据时，基阵坐标系中应答器的坐标为 $X_{\mathrm{Ti}}^O={\left[\begin{array}{ccc}x_{\mathrm{Ti}}^O& y_{\mathrm{Ti}}^O& z_{\mathrm{Ti}}^O\end{array}\right]}^T;$

（3）母船再反方向做圆周运动，采集到第二组数据；

（4）重复执行步骤（2）（3）N次，总共采集到N组数据,其中寻优代价函数：

L_i为第i次采集数据时，基阵坐标系原点与应答器的距离；

（5）对采集到的数据进行处理，解算出应答器的真实坐标，从而实现对应答器坐标位置的校准。

本发明的有益效果在于：

本发明相对于传统的母船只朝一个方向作圆周运动采集数据，解算出来的应答器坐标校准精度更高。而当径矢坐标^BX_DO的安装误差为零时，解算得到的应答器坐标误差同样为零，由此可见，利用粒子群算法可以准确的解算出应答器的坐标值。

附图说明

图1是海底应答器校准示意图；

图2是单方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系x轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

图3是单方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系y轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

图4是单方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系z轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

图5是双方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系x轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

图6是双方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系y轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

图7是双方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系z轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明涉及一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法，应答器在海底布放完成之后，载有GPS和水声基阵的母船在应答器上方水平面以应答器入水点为圆心，绕应答器做一定半径的圆周运动，以一定频率向应答器发出信号，并接收应答器的返回信号，通过信号的往返时间，得到基阵坐标系原点与应答器的距离，同时记下母船坐标，从而采集到一组数据。然后再反方向做圆周运动，同时采集到另一组数据。总共采集到N组数据。然后对采集到的数据进行处理，利用粒子群算法解算出应答器的真实坐标，从而实现对应答器坐标位置的校准。

应答器在大地坐标系下的坐标与母船GPS与水声基阵之间的坐标变换为：

$X_T^G=X_D^G-R_B^{G}X_D^B+R_B^G(R_O^{B}X_T^O+X_O^B)---\left(1\right)$

其中，^GX_T为大地坐标系下应答器的坐标，^GX_D为大地坐标系下GPS的坐标，^BX_D为船体坐标系下GPS的坐标。为大地坐标系到船体坐标系的旋转矩阵。

为船体坐标系到基阵坐标系的旋转矩阵。^OX_T为基阵坐标系下应答器的坐标。^BX_O为船体坐标系下基阵的坐标。由于利用的是测距定位方法，基阵坐标系可以看作是与船体坐标系重合，从而

为单位矩阵得：

$X_T^O=R_{-1}^B{}_G(X_T^G-X_D^G)+X_D^B-X_O^B---\left(2\right)$

第i次采集数据时，基阵坐标系中应答器的坐标为 $X_{\mathrm{Ti}}^O={\left[\begin{array}{ccc}x_{\mathrm{Ti}}^O& y_{\mathrm{Ti}}^O& z_{\mathrm{Ti}}^O\end{array}\right]}^T.$ 从而得到寻优代价函数：

$F=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(\sqrt{{x_{\mathrm{Ti}}^O}^2+{y_{\mathrm{Ti}}^O}^2+{z_{\mathrm{Ti}}^O}^2}-L_i)}^2}{N}---\left(3\right)$

L_i为第i次采集数据时，基阵坐标系原点与应答器的距离。

利用粒子群算法计算采集到的数据，解算大地坐标系下应答器的坐标。首先，随机产生一群粒子，一个粒子表示一个搜索到的大地坐标系下应答器的坐标，通过公式(2)、(3)求出粒子具有的代价函数值。经过不断的迭代，粒子进化，得到一个粒子坐标使得代价函数值最小，该粒子坐标即为大地坐标系下应答器的实际坐标。

假设母船与应答器的通信仅能获得距离信息。为将本申请所提方案与传统只做单方向圆周运动采集数据方案进行有效对比，忽略传感器测量误差、声线弯曲误差以及海流的影响。应答器真实坐标为[0,0,1000]，母船在水平面首先绕应答器做半径为1000的顺时针圆周运动，然后绕应答器做半径为1000的逆时针圆周运动。水面母船通过所载水声基阵以一定频率发出水声信号，并接收海底应答器返回的声信号，从而利用声信号的往返时间得到应答器与母船之间的距离信息，并利用水面母船所载GPS记录下此时水面母船的坐标。总共采集到100组数据，每组数据包括测量点处水面母船所载GPS接收机的坐标和应答器到母船所载水声基阵原点的距离信息。

利用粒子群算法计算采集到的数据，解算大地坐标系下应答器的坐标。首先，随机产生一群粒子，一个粒子表示一个搜索到的大地坐标系下应答器的坐标，通过公式(2)、(3)求出粒子具有的代价函数值。经过不断的迭代，粒子进化，得到一个粒子坐标使得代价函数值最小，该粒子坐标即为大地坐标系下应答器的实际坐标。

令^BX_DO＝^BX_D-^BX_O由公式(2)可以看出GPS与水声基阵在母船上的径矢坐标^BX_DO的安装误差直接影响了应答器坐标校准精度。对船体坐标系三个坐标轴上径矢^BX_DO的安装误差，分别由-1变化到1时对应答器坐标校准的影响进行了仿真分析。表1是安装径矢在船体坐标系y轴向安装误差对应答器坐标在大地坐标系z轴向误差的影响的部分数据；图3是单方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系y轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；图6是双方向圆周运动下GPS与水声基阵在船体坐标系y轴向安装径矢误差对应答器坐标校准误差的影响；从表1、图3和图6上可以看出母船绕应答器做圆周运动后再做反向圆周运动采集数据，可以有效减小径矢坐标^BX_DO的y轴安装误差引起的应答器坐标误差，相对于传统的母船只朝一个方向作圆周运动采集数据，解算出来的应答器坐标校准精度更高。而当径矢坐标^BX_DO的安装误差为零时，解算得到的应答器坐标误差同样为零，由此可见，利用粒子群算法可以准确的解算出应答器的坐标值。

表1安装径矢在船体坐标系y轴向安装误差对应答器坐标在大地坐标系z轴向误差的影响

Claims (1)

1.一种水面母船校准海底应答器坐标位置的方法，其特征在于：

（1）布放应答器；

（2）载有GPS和水声基阵的母船在应答器上方水平面以应答器入水点为圆心，绕应答器做圆周运动，向应答器发出信号，并接收应答器的返回信号，通过信号的往返时间，得到基阵坐标系原点与应答器的距离，同时记下母船坐标，采集第一次数据,应答器在大地坐标系下的坐标与母船GPS与水声基阵之间的坐标变换为：

$X_T^G=X_D^G-R_B^{G}X_D^B+R_B^G(R_O^{B}X_T^O+X_O^B)$

其中，^GX_T为大地坐标系下应答器的坐标，^GX_D为大地坐标系下GPS的坐标，^BX_D为船体坐标系下GPS的坐标，

为大地坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，

为船体坐标系到基阵坐标系的旋转矩阵，^OX_T为基阵坐标系下应答器的坐标，^BX_O为船体坐标系下基阵的坐标，基阵坐标系是与船体坐标系重合，从而

为单位矩阵得：

$X_T^O=R_{-1}^B{}_G(X_T^G-X_D^G)+X_D^B-X_O^B$

第i次采集数据时，基阵坐标系中应答器的坐标为 $X_{\mathrm{Ti}}^O={\left[\begin{array}{ccc}x_{\mathrm{Ti}}^O& y_{\mathrm{Ti}}^O& z_{\mathrm{Ti}}^O\end{array}\right]}^T;$

（3）母船再反方向做圆周运动，采集到第二组数据；

（4）重复执行步骤（2）（3）N次，总共采集到N组数据,其中寻优代价函数：

L_i为第i次采集数据时，基阵坐标系原点与应答器的距离；

（5）对采集到的数据进行处理，解算出应答器的真实坐标，从而实现对应答器坐标位置的校准。

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