CN105301556B - 超短基线安装误差校准装置的校准方法 - Google Patents

超短基线安装误差校准装置的校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超短基线安装误差校准装置及其方法，包括声头、应答器、三轴防水转台和光纤罗经，所述声头通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台上，三轴防水转台在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，三轴防水转台水平固定在测试水池的池底；应答器通过航车和支架刚性固定后放入测试水池中，并由声头对其定位；光纤罗经通过电缆与甲板处理单元连接。将声头通过法兰盘刚性连接在转台上，代替了现有试验船需按既定路线绕应答器航行进行数据采集的实验方式，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度；并将光纤罗径一体化集成到声头内部，避免了安装光纤罗而存在的安装误差，保证了安装误差的校准精度。

Description

超短基线安装误差校准装置的校准方法
技术领域
本发明属于水声定位技术领域，涉及水声定位系统的安装误差校准装置，具体指一种超短基线安装误差校准装置的校准方法。
背景技术
水下定位导航技术是一切海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋领域的开发和军事需求推动了水下高精度定位技术的发展，超短基线声学定位系统的应用开发和技术研究在现代化海洋科学中起着重要作用。超短基线是一种常见的水声定位技术，与其它基线相比，超短基线定位系统基线基阵尺寸小，易于安装，但由于远距离误差发散快，超短基线作用距离短，所以精度通常也不高。安装超短基线定位系统进行水下声学定位测量过程中，很难保证换能器声学中心与转台中心之间三坐标完全重合，各个传感器的坐标系统并不能重合一致，它们之间因平移或旋转存在系统偏差，这些偏差是导致超短基线水声定位系统定位误差的一个重要原因，必须对其进行校准。如何快速、有效地对超短基线定位系统进行安装校准，是提高整个定位系统定位精度和设备可操作性的一个重要方面。
传统的安装误差校准方法是将声头刚性安装在试验船上，并在声头正上方架设RTK GPS和罗径，将应答器沉入水底，试验船按照预定路线(田字格或者S型)绕着应答器进行航行，在每个航迹位置，定位系统与应答器进行应答，确定基阵坐标系下的应答器位置，同时记录航迹各个测量点上的GPS位置(DGPS接收设备或者RTK设备最佳)和方位/姿态数据。利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准值，再将此值代入即可进行精确定位。传统的安装误差校准方法虽能在一定程度上校正安装误差，但也存在一些以下所述的固有缺陷：1)实践安装误差校准实验并不简易可行；由于RTK GPS、罗径和声头刚性固定在试验船上，试验船需要绕着沉入水底的应答器按照既定的路线航行；一方面这在湖上或是海上都是较难实现的，另一方面实验成本较高，影响实验的可实施性；2)RTKGPS自身带有误差；由于需要利用RTK GPS记录航迹各个测量点上的GPS值，所以RTK GPS的自身误差同样得纳入定位系统的安装误差内；3)罗径亦存在安装误差，因为罗径架设在声头正上方而不是集成到声头内部，这样每次安装罗径都会产生安装误差。为了克服现有超短基线系统传统安装误差校准方法存在的以上几个固有缺点，亟需提出一个全新的安装误差校准方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种全新的超短基线安装误差校准装置的校准方法，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，并从根本上消除了因误差校准装置存在自身固有误差而影响校准精度的技术问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种超短基线安装误差校准装置的校准方法，具体包括以下步骤：
1)应答器安装：将应答器用航车和支架刚性固定后放入测试水池中；
2)声头安装：将光纤罗经一体化集成到声头内部，声头通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台上，三轴防水转台在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，每个转轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，三轴防水转台水平固定在水池底部，由声头对应答器进行定位；
3)数据采集：转台依照X、Y、Z轴的顺序分别进行旋转，绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动，旋转时以固定步长从0度顺时针旋转到360度，再从360度逆时针旋转到0度，每转一个固定步长为一个测量点，在各个测量点上由声头对应答器进行定位，记录光电编码器的角度测量值，确定声学坐标系下应答器的位置数据，同时甲板处理单元输出光纤罗经的姿态数据；
4)数据处理：利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准值；
作为本校准方法的优化方案，所述三轴防水转台包括基座，基座上设有互相垂直的可旋转的转轴I、II、III，其中转轴I顶部固定连接有U形架，U形架上端设有可旋转的转轴II，转轴II固定连接大矩形旋转支架，大矩形旋转支架短边中心轴端设有可旋转的中心转轴III，转轴III固定连接小矩形旋转支架，所述声头通过转轴III固定安装在小矩形旋转支架内，在矩形旋转平面内转轴II与转轴III互相垂直；每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器。
作为本校准方法的优化方案，上述步骤中的固定步长为15度。
作为本校准方法的优化方案，通过校准前后的定位数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前减少50％以上且定位误差服从正态分布，相比校准前的数据更加聚焦，本校准方法有效可行。
本发明的有益效果是：
1、声头通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台上，每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，使得三轴转台在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，能实现任意旋转；转台按一定方式旋转进行数据采集，代替了现有试验船需按既定路线绕应答器航行进行数据采集的实验方式，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，提高了实验的可行性；
2、将高精度光纤罗经一体化集成到声头内部，成品之前只需一次安装校准即可，避免了使用中安装光纤罗经而存在的安装误差，提高了定位系统安装误差的校准精度；
3、因声头的声学中心的地理坐标不变，所以不需要记录航迹各个测量点上的地理坐标数据，即不存在RTK GPS带来的误差，进一步提高了定位系统安装误差的校准精度；
4、利用本校准装置及方法对安装误差进行校准，通过校准前后的数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前减少50％以上且定位误差服从正态分布，相比校准之前的定位数据更加聚焦，因此本校准装置及方法是有效可行的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中三轴防水转台的结构示意图；
图3为本发明中声学坐标系；
图4为坐标系旋转变换公式图解；
图5为声头姿态坐标图；
图6为声学坐标平移图；
图7为评估误差曲线；
图中：1-声头，2-换能器，3-应答器，4-光纤罗径，5-三轴防水转台，6-测试水池，7-航车，8-支架，9-电缆，10-甲板处理单元，11-基座，12-转轴I，13-U形架，14-转轴II，15-转轴III，16-大矩形旋转支架，17-小矩形旋转支架。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。
如图1所示，一种超短基线安装误差校准装置，所述校准装置包括声头1、应答器3、三轴防水转台5和光纤罗经4，所述声头1为便携式声头，声头1通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台5上，三轴防水转台5在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，三轴防水转台5水平固定在测试水池6的池底；应答器3通过航车7和支架8刚性固定后放入测试水池6中，并由声头1对其定位；光纤罗经4通过电缆9与甲板处理单元10连接。
具体地，如图2所示，三轴防水转台5包括基座11，基座11上设有互相垂直的可旋转的转轴I 12、转轴II 14、转轴III 15，其中转轴I 12顶部固定连接有U形架13，U形架13上端设有可旋转的转轴II 14，转轴II 14固定连接可绕转轴II 14旋转的大矩形旋转支架16，大矩形旋转支架16短边中心轴端设有可旋转的中心转轴III 15，转轴III15固定连接可绕转轴III 15旋转的小矩形旋转支架17，所述声头1通过转轴III 15固定安装在小矩形旋转支架17内，在矩形旋转平面内转轴II 14与转轴III 15互相垂直；每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，实现可按不同步长旋转以及绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动等多种旋转方式。转台5按一定的方式旋转进行数据采集，代替了现有试验船需按既定路线绕应答器航行进行数据采集的实验方式，有效简化了水声定位系统安装误差校准的实验操作流程，降低了实验难度，提高了实验的可行性。
所述光纤罗径4一体化集成在便携式声头内部，成品之前只需一次安装校准即可，避免了使用中安装光纤罗而存在的安装误差，以及系统不存在RTK GPS带来的误差，有效保证了定位系统安装误差的校准精度。。
利用上述超短基线安装误差校准装置的校准方法，具体包括以下步骤：
1)应答器安装：将应答器3用航车7和支架8刚性固定后放入测试水池6中；
2)声头安装：将光纤罗经4一体化集成到声头1内部，声头通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台5上，三轴防水转台5在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，每个转轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，三轴防水转台5水平固定在水池底部，由声头1对应答器3进行定位；
3)数据采集：转台依照X、Y、Z轴的顺序分别进行旋转，绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动，旋转时以固定步长15度从0度顺时针旋转到360度，再从360度逆时针旋转到0度，每转一个固定步长为一个测量点，在各个测量点上由声头1对应答器3进行定位，记录光电编码器的角度测量值，确定声学坐标系下应答器3的位置数据，同时甲板处理单元10输出光纤罗经的姿态数据；
4)数据处理：利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准值；
校准检验，通过校准前后的定位数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前减少50％以上且定位误差服从正态分布，相比校准前的数据更加聚焦，本校准方法有效可行。
安装误差校准的原理分析：
1)声头1下方设有由由换能器2构成的声学基阵，即声学坐标系，如图3所示，声头1下端四个换能器阵构成声学基阵，其中换能器2-1和换能器2-3比较短且在同一水平面，换能器2-2和换能器2-4比较长在另一个水平面，两个水平面的垂直间距为10cm。声学坐标系的X轴穿过换能器2-3和换能器2-1的声学中心，从换能器2-3到换能器2-13为X轴正方向，Y轴与换能器2-2和换能器2-4的声学中心连线平行与X轴相交，从换能器2-4到换能器2-2为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，由于将光纤罗径4集成到声头1内部，所以光纤罗径坐标系与声头坐标系重合。
2)单轴坐标转换。如图4坐标系旋转变换公式图解所示，直角坐标系XOY旋转θ角变为XˊOYˊ，坐标系XOY中的坐标(x、y)在XˊOYˊ坐标系中为(xˊ、yˊ)，可得：
x'＝x cosθ+y sinθ
y'＝y cosθ-x sinθ
此处的关键是利用已知角做出直角三角形，并用已知边作为斜边进行计算。
3)姿态矩阵。如图5声头姿态坐标图所示，XYZ坐标系绕Z轴旋转Ψ，绕X轴旋转θ，绕Y轴旋转γ，旋转前后新旧坐标系之间的坐标变换关系可以用矩阵表示为：
其中(x,y,z)表示旋转之前声学坐标系下应答器的坐标。
4)声学原点平移。如图6声学坐标平移图所示，旋转声头的声学坐标原点相对旋转声头前的声学坐标原点有了一定的移动，通过下面的单轴旋转图可以进行直观的描述。图4中描述了Y轴不变，XOZ平面逆时针旋转一定角度，声学坐标原点的变化。X轴方向偏移了Δx＝L*sinγ,Z轴方向偏移了Δz＝L*(1-cosγ)，这种情况下，旋转后声学坐标的计算为：
利用安装误差校准算法进行数据处理
在水下固定一个应答器K，将声头利用法兰盘刚性连接在利用伺服电机驱动的高精度光电编码器转盘上，转盘有X、Y和Z三个自由度，依照X、Y、Z的顺序分别进行旋转，每个坐标轴按固定步长15度从0度顺时针旋转到360度，再从360度旋转到0度，已知声头安装位置的转盘坐标，在每个测量点上采集一系列包含应答器K的声学坐标、姿态、航向的数据信息，假设横摇校正参数为A,艏摇校正参数为B，纵摇校正参数为C，那么测量点可以计算出的应答器K的地理坐标为Vi＝fv(αi+A,βi+B,γi+C)，其中α为横摇，β为艏摇，γ为纵摇，点集M＝{V0,V1,...Vi}
(一)采用评价函数Q来恒量点集M的集中程度：
A.用GPS测出应答器的地理坐标VK
该方法的好处就是比较直接,但要求应答器的位置与GPS天线位置处于同一垂线上，否则VK会有较大误差，实际情况是很难保持在同一垂线上。
B.采用长基线定位方法计算出应答器的地理坐标VK
该方法的好处就是比较方便,但声头的位置与GPS天线位置尽可能靠近,并且姿态传感器的按照偏差尽可能小,否则计算出的VK会有误差。
计算出M点集与VK的距离之和
(二)校正参数的迭代计算
假设改正值A,B,C的取值范围为(-20°,20°)，起始取值间隔为1°,那么初始取值集合ME＝{-20,-19,-18,...19,20}，A＝0,B＝0,C＝0
①按照集合ME改变横摇改正值A的值，计算出QA，理论上A与QA的关系如图6评估误差曲线所示：
如果计算出的一些列QA值不是从大逐渐变小，然后再逐渐变大，那么就计算失败(可能是由于采集的点数据存在问题，比如存在较多的跳点，或者评价函数Q不合适)
②如图7所示，通过一些列QA值可以得到最小值的前后的邻近值和由于Ej只精确到1°，无法满足实际精度的需求，因此，还必须进一步细分计算。A分别取Ej和Ej-1的中点Ej和Ej+1的中点
如果那么A分别取Ex和Ej-1的中点Ex和Ej的中点如果那么A分别取Ey和Ej+1的中点Ey和Ej的中点采用对分法递归计算，直到精确到|Ex-Ey|＜0.001°为止，最终计算出
③将作为已知值，按照集合ME改变艏摇改正值B的值,按照①②的方法计算出
④将作为已知值，按照集合ME改变纵摇改正值C的值,按照①②的方法计算出
⑤将作为已知值计算出的Q值，如果符合精度要求，那么计算结束，如果不符合精度要求，那么将作为已知值，按照集合ME改变横摇改正值A的值,按照①②的方法计算出然后重复③和④步骤，循环迭代计算，直到计算出的Q值符合精度要求为止。
实施例
1)应答器安装：将应答器用航车支架刚性固定放入测试水池中；
2)声头安装：将光纤罗经集成到声头内部，声头通过法兰盘刚性固定在三轴转台上，每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转动轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，转台水平固定在水池底部，为了操作简便，将声头的声学坐标与水池的坐标重合，即x轴平行水池的长边，y轴平行水池的短边，z轴平行水池的高；
3)实验数据采集：转台依照X、Y、Z的顺序进行旋转，绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动，旋转时以固定步长15度从0度顺时针旋转到360度，再从360度旋转到0度，每转一个15度为一个测量点，每个测量点连续测量30次，在各个测量点上由声头对应答器进行定位，记录光电编码器的角度测量值，确定声学坐标系下应答器的位置数据，同时甲板单元输出光纤罗经的姿态数据；
4)实验数据处理：根据记录的声头地理坐标，对原始采集的数据进行重新计算，并对每个测量位置的数据进行噪点剔除，然后取均值，最终每个测量位置得到一组测量数据，将数据代入安装误差校准算法中，通过校准前后的数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前减少50％以上且定位误差服从正态分布，相比原数据更加聚焦，因此本校准算法是有效可行的。
以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超短基线安装误差校准装置的校准方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)应答器安装：将应答器用航车和支架刚性固定后放入测试水池中；
2)声头安装：将光纤罗经一体化集成到声头内部，声头通过法兰盘刚性固定在三轴防水转台上，三轴防水转台在空间坐标系内具有互相垂直的X、Y、Z轴三个方向的旋转自由度，每个转轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器，三轴防水转台水平固定在水池底部，由声头对应答器进行定位；
3)数据采集：转台依照X、Y、Z轴的顺序分别进行旋转，绕其中一个轴旋转时另外两个轴固定不动，旋转时以固定步长从0度顺时针旋转到360度，再从360度逆时针旋转到0度，每转一个固定步长为一个测量点，在各个测量点上由声头对应答器进行定位，记录光电编码器的角度测量值，确定声学坐标系下应答器的位置数据，同时甲板处理单元输出光纤罗经的姿态数据；
4)数据处理：利用安装误差校准算法处理采集到的数据即可得到安装误差校准值。
2.根据权利要求1所述的超短基线安装误差校准装置的校准方法，其特征在于：所述三轴防水转台包括基座，基座上设有互相垂直的可旋转的转轴I、II、III，其中转轴I顶部固定连接有U形架，U形架上端设有可旋转的转轴II，转轴II固定连接大矩形旋转支架，大矩形旋转支架短边中心 轴端设有可旋转的中心转轴III，转轴III固定连接小矩形旋转支架，所述声头通过转轴III固定安装在小矩形旋转支架内，在矩形旋转平面内转轴II与转轴III互相垂直；每个轴的转动依靠伺服电机驱动，且三个转轴上均安装有用于测量旋转角度的高精度光电编码器。
3.根据权利要求1所述的超短基线安装误差校准装置的校准方法，其特征在于：上述步骤中的固定步长为15度。
4.根据权利要求1所述的超短基线安装误差校准装置的校准方法，其特征在于：通过校准前后的定位数据对比分析，校准后的定位结果方差较校准前减少50％以上且定位误差服从正态分布，相比校准前的数据更加聚焦，本校准方法有效可行。
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