CN103927442B - 一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超短基线定位系统的系统误差校准方法。本发明为了有效减小水体折射及测量粗差对超短基线定位系统的定位精度的影响。通过测量环境参量数据与超短基线测量数据计算应答器与超短基线基阵之间本征声线及其与坐标平面夹角，利用本征声线与基阵、大地平面的夹角矢量构建超短基线安装角度误差测角变换校准模型，并在对最小二乘求解模型方程的过程中根据观测残差设计抗粗差权矩阵，采用抗粗差最小二乘估计超短基线安装角度误差。能够有效的补偿由于水体中环境参量梯度变化造成的超短基线安装角度误差求解偏差；通过抗粗差权值减小粗差对校准求解的影响，提高安装角度误差的校准准确性与一致性。

Description

一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法。

背景技术

超短基线定位系统由于声学换能器的安装导致基阵坐标系与船载罗经坐标系之间存在角度偏差，该偏差会严重影响系统的定位精度，因而在系统使用前必须进行安装角度误差的校准。在实施校准的过程中水体中环境参量梯度变化导致的水层折射影响，此时超短基线定位系统测量的声线角度向量与目标真实方位角度向量存在差异，造成安装角度误差校准不准确。此外，校准过程中采集的数据会因随机干扰而产生粗差，利用被粗差污染的数据进行校准严重影响校准结果的一致性。因而需要在进行安装角度误差校准的过程中修正折射偏差，消除粗差干扰，保障校准结果的准确性与一致性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，以能够有效减小水体折射及测量粗差对超短基线定位系统的定位精度的影响。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、利用CTD仪器采集校准作业水域的水体环境参数：温度、盐度；将温度、盐度数据通过乌德公式计算得到水体的声速剖面；

步骤二、装有待校准超短基线定位系统的船只围绕锚定于水底、大地坐标已知的应答器航行，航行过程中记录超短基线校准数据，包括：船只大地位置、船只航向、船只姿态以及应答器的基阵坐标系坐标；根据应答器的基阵坐标系坐标计算应答器与超短基线基阵之间的本征声线与基阵平面的夹角矢量；利用声速剖面、应答器以及船只大地坐标计算应答器与超短基线基阵之间本征声线与大地平面的夹角矢量；

步骤三、重复步骤二获得多组超短基线校准数据；每组超短基线校准数据包括：船只大地位置、船只航向、船只姿态以及应答器的基阵坐标系坐标；

步骤四、根据所观测的本征声线与基阵平面的夹角矢量及本征声线与大地平面的夹角矢量，利用等权值最小二乘计算超短基线安装角度误差抗粗差测角变换校准方程中的观测残差向量，根据残差向量计算抗粗差校准的抗粗差估计权值矩阵；

步骤五、利用将抗粗差估计权值矩阵替换步骤四中等权值最小二乘矩阵，利用抗粗差最小二乘计算超短基线安装角度误差抗粗差校准方程，估计超短基线安装角度误差。

在步骤二中：

所述计算应答器与超短基线基阵之间的本征声线与基阵平面的夹角矢量的过程为：从超短基线校准数据中提取应答器在基阵坐标系的xy坐标与斜距R，根据超短基线测向原理可计算出本征声线与基阵平面夹角矢量余弦值：

其中k为声速修正系数。

在步骤二中，

所述计算应答器与超短基线基阵之间本征声线与大地平面的夹角矢量的过程为：已知应答器大地坐标与声基阵大地坐标计算两者水平方向角为：

利用声速剖面文件以及应答器、船只的大地坐标，根据射线声学Snell定律计算两者之间的本征声线掠射角σ；综合声线掠射角与水平方向角得到直达声线在大地坐标系下的夹角矢量余弦值：

在步骤四中，超短基线安装角度误差抗粗差测角变换校准方程的形式为：

其中为待估计的超短基线安装角度误差，为角度余弦转换方程；

分别为船坐标-大地坐标、基阵坐标-船坐标的旋转矩阵。

在步骤四中，所述根据残差向量计算抗粗差校准的抗粗差估计权值矩阵的具体过程为：利用等权值的高斯-牛顿迭代最小二乘的方法求解权利要求（4）中方程，得到观测残差向量

利用残差向量设计抗粗差估计权矩阵为：

其中δ( )为单位冲击响应函数，u( )为阶跃函数，v_i为观测残差向量中的第i个元素，std( )表示标准差计算，ε为权值门限。

本发明的有益效果是：

本发明通过引入测角变换模型以及抗粗差权值，有效的减小了水体折射及测量粗差的影响，提高了超短基线定位系统安装角度误差校准的精度。

本发明的超短基线安装角度误差校准方法能够补偿信号传播过程中水层折射影响。本发明通过测量环境参量数据与超短基线测量数据计算应答器与超短基线基阵之间本征声线及其与坐标平面夹角，利用本征声线与基阵、大地平面的夹角矢量构建超短基线安装角度误差测角变换校准模型，并在对最小二乘求解模型方程的过程中根据观测残差设计抗粗差权矩阵，采用抗粗差最小二乘估计超短基线安装角度误差。本发明能够有效的补偿由于水体中环境参量梯度变化造成的超短基线安装角度误差求解偏差；通过抗粗差权值减小粗差对校准求解的影响，提高安装角度误差的校准准确性与一致性。所公开的发明通过构建测角变换超短基线安装角度误差校准方程，能够有效的修正由于水体折射造成的安装角度校准偏差。为了减小测量粗差对校准结果的影响，在常规最小二乘估计基础上，依据观测残差设计抗粗差加权矩阵，能够有效的提升算法的抗粗差性能，保障校准结果的一致性。

附图说明

图1是基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法数据采集航迹示意图，

图2是基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

具体实施方式一：下面结合附图1～2举例对本发明做更详细的描述：

附图1为基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法的数据采集过程示意图。如附图1所示：采集完毕作业水域的声速剖面后，装有待校准超短基线系统的水面船只围绕锚定于水底的应答器航行，航行过程中记录船只的GPS坐标与罗经数据，同步对应答器进行测量，完成对应答大地绝对坐标的标定。

从超短基线定位数据中提取测量的应答器的基阵坐标系坐标基阵与应答器的距离R以及采集数据过程中系统使用的声速值C。根据超短基线声学定位原理：

根据声速剖面数据确定超短基线声学基阵入水深度对应的声速c，对（1）式修正使用错误的声速C计算应答器的方位

其中k＝c/C为声速修正系数，为基阵与应答器的水平距离。通过（2）式修正，测量计算得到在基阵坐标系下应答器的真实视在方位角度向量，即基阵与应答器之间本征声线的切线方向与基阵平面的夹角向量。

从超短基线定位数据中提取船只的GPS坐标并修正得到超短基线换能器基阵的GPS大地坐标结合已知的应答器大地坐标与声速剖面，利用Snell定律，可搜索得到两者之间的本征声线，并计算得到该声线与大地坐标的夹角向量，具体方法如下：

根据Snell定律得到线的水平传播距离是声线掠射角与声速剖面的隐式函数λ(c(z),σ)，c(z)为声速剖面函数，σ为声线掠射角。已知基阵与应答器大地坐标，可得两者水平距离

利用方程数值方法求解（3）式方程得到声线掠射角。

根据应答器大地坐标与声基阵大地坐标还计算两者水平方向角：

进而根据空间角度关系求得本征声线与大地坐标的夹角向量

该夹角向量同样为真实视在方位角度向量，即本征声线切线方向与大地平面的夹角向量。

根据声线与不同坐标系夹角之间的坐标旋转关系，可构建基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方程：

其中分别为船坐标-大地坐标、基阵坐标-船坐标的测角变换矩阵，为待求解的超短基线安装角度误差值。该方程的物理含义为：超短基线声学基阵与应答器之间的本征声线与基阵平面的夹角通过基阵坐标-船坐标、船坐标-大地坐标的两次测角变换得到其与大地平面的夹角。该方程与其他超短基线安装角度误差校准方程的不同之处在于：使用角度量而非坐标量构建物理关系方程；角度向量为通过声速修正、声线方程求解获得的真实视在方位角，而非采用单一声速值得到的虚假方位角。因而（6）式能够修正声线弯曲对安装误差角度校准的影响，提高校准精度。

求解（6）式计算值即完成超短基线安装角度误差的校准，求解方法使用非线性方程求解方法，其过程为：

将（6）式对待求解安装偏角数值展开并保留一阶倒数项，整理得：

多次观测数据组成超定观测方程组，利用等权值的最小二乘估计值

此时被粗差污染的数据与无粗差数据被赋予相等的权值参与参数估计中，在测量粗差的影响下，校准结果的精度与重复度均会变差。因而采用抗粗差加权矩阵减小测量粗差的影响。

所设计的抗粗差加权矩阵通过（6）式安装角度误差校准方程的观测残差计算，具体方法如下：

将（8）式求解的超短基线安装角度误差结果代入（6）式中，计算校准残差

将每组观测数据对应的校准残差v_i与校准残差向量的标准差比较，若大于校准残差向量标准差的ε倍，判定改组数据粗在测量粗差，赋以权值零；反之为无粗差数据，赋以权值一：

将依据（10）式求得的n个权值作为主对角向量形成n×n维加权矩阵，即：

P_ii＝p_i （11）

综合（10）、（11）两式得到最终的抗粗差加权矩阵

将（12）式求得的抗粗差加权矩阵引入（8）式最小二乘求解式中，得到超短基线安装角度误差的抗粗差求解式：

求解得到超短基线安装角度误差，完成超短基线定位系统的安装角度误差校准。

实施例：

实施例不用给出，以前类似的专利均未给出带有数据、操作内容的实施例

本发明的有益效果是：超短基线安装误差校准结果一致性提高0.05°，系统定位精度提高最高0.1%斜距。

Claims (4)

1.一种基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

(1)利用CTD仪器采集校准作业水域的水体环境参数：温度、盐度；将温度、盐度数据通过乌德公式计算得到水体的声速剖面；

(2)装有待校准超短基线定位系统的船只围绕锚定于水底、大地坐标已知的应答器航行，航行过程中记录超短基线校准数据，包括：船只大地位置、船只航向、船只姿态以及应答器的基阵坐标系坐标；根据应答器的基阵坐标系坐标计算应答器与超短基线基阵之间的本征声线与基阵平面的夹角矢量；利用声速剖面、应答器以及船只大地坐标计算应答器与超短基线基阵之间本征声线与大地平面的夹角矢量；

(3)重复步骤(2)获得超短基线校准数据组；每组超短基线校准数据包括：船只大地位置、船只航向、船只姿态以及应答器的基阵坐标系坐标；

(4)根据所观测的本征声线与基阵平面的夹角矢量及本征声线与大地平面的夹角矢量，利用等权值最小二乘计算超短基线安装角度误差抗粗差测角变换校准方程中的观测残差向量，根据残差向量计算抗粗差校准的抗粗差估计权值矩阵；

(5)利用将抗粗差估计权值矩阵替换步骤(4)中的抗粗差估计权值矩阵，利用抗粗差最小二乘计算超短基线安装角度误差抗粗差校准方程，估计超短基线安装角度误差；

在步骤(2)中：

所述计算应答器与超短基线基阵之间的本征声线与基阵平面的夹角矢量的过程为：从超短基线校准数据中提取应答器在基阵坐标系的xy坐标与斜距R，根据超短基线测向原理可计算出本征声线与基阵平面夹角矢量余弦值：

$cos{\stackrel{\→}{\mathrm{\Φ}}}_{Array}={(k{\stackrel{\→}{X}}_J/R,-\sqrt{1-k^2|{\stackrel{\→}{X}}_{Jxy}{|}^2/R^2})}^T$

其中k为声速修正系数,为基阵与应答器的水平距离。

2.根据权利要求1所述的基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，其特征在于：在步骤(2)中，

所述计算应答器与超短基线基阵之间本征声线与大地平面的夹角矢量的过程为：已知应答器大地坐标与声基阵大地坐标计算两者水平方向角为：

利用声速剖面文件以及应答器、船只的大地坐标，根据射线声学Snell定律计算两者之间的本征声线掠射角σ；综合声线掠射角与水平方向角得到直达声线在大地坐标系下的夹角矢量余弦值：

$cos{\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_{Ground}={\left(\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\ω}cos\mathrm{\σ}& \sin \mathrm{\ω}cos\mathrm{\σ}& -cos\mathrm{\σ}\end{array}\right)}^T.$

3.根据权利要求2所述的基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，其特征在于：在步骤(4)中，超短基线安装角度误差抗粗差测角变换校准方程的形式为：

其中为待估计的超短基线安装角度误差，为角度余弦转换方程；

$F\left({\stackrel{\→}{A}}_0\right)=cos{\stackrel{\→}{\mathrm{\Θ}}}_{Ground}-{\stackrel{\→}{R}}_{Ship-Ground}{\stackrel{\→}{R}}_{Array-Ship}{|}_{{\stackrel{\→}{A}}_0}cos{\stackrel{\→}{\mathrm{\Φ}}}_{Array}$

分别为船坐标-大地坐标、基阵坐标-船坐标的旋转矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于测角变换的超短基线安装角度误差抗粗差校准方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述根据残差向量计算抗粗差校准的抗粗差估计权值矩阵的具体过程为：利用等权值的高斯-牛顿迭代最小二乘的方法求解角度余弦转换方程及超短基线安装角度误差抗粗差测角变换校准方程，得到观测残差向量

利用残差向量设计抗粗差估计权矩阵为：

其中δ()为单位冲击响应函数，u()为阶跃函数，v_i为观测残差向量中的第i个元素，std()表示标准差计算，ε为权值门限。