CN105487046A - 大入射角声线跟踪定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下声学定位方法，具体为基于分层等梯度声线跟踪的大入射角声线跟踪定位方法，根据分层等梯度假设中第一层曲率半径的公式用第一层曲率半径R来表示Snell常数p；将声波在水层中水平位移公式中的Snell常数p用曲率半径R表示；对新建立的公式用弦截法对R进行迭代；将迭代结果转换为入射角；用所求得的入射角进行声线跟踪。本发明提供的大入射角声线跟踪定位方法，将传统的分层等梯度声线跟踪进行了改进，分析了大入射角声线情况下定位失败的原因并进行了改进，既达到了扩大初始入射角迭代的最大范围，又提高了定位的效率。

Description

大入射角声线跟踪定位方法

技术领域

本发明涉及一种水下声学定位方法，具体为基于分层等梯度声线跟踪的大入射角声线跟踪定位方法。

背景技术

为获取水下高精度位置信息，现常采用声线跟踪的方法，即跟踪声波在换能器与应答器之间的传播路径，利用最小二乘法解算水下应答器的坐标。其中，分层等梯度声线跟踪方法采用逐层计算获取的声线轨迹与真实声线轨迹最为接近，精度较高。但当换能器与应答器组成的观测几何结构不好时，例如当水面的换能器距离应答器较远时，声线入射角会增大，此时若采用分层等梯度声线跟踪方法计算，会导致入射角迭代发散，无法得到正确结果。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于分层等梯度声线跟踪的大入射角声线跟踪定位方法，方法能够有效扩大入射角解算范围，并提高定位效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

大入射角声线跟踪定位方法，包括以下过程：

假设声波经历的水柱分为N个等梯度层，即声波在每层的传播速度是等梯度的，在水深为z_i的i层，分别用C_i和θ_i表示声波的传播速度和入射角度，第i层内的声速梯度g_i为：

g_i＝(C_i+1-C_i)/Δz_i

式中，Δz_i为第i层的水层厚度，C_i+1为第i+1层声速；

声波波束在第i层内的实际传播轨迹为一连续的、对应一定曲率半径R_i的弧段，R_i的表达式为：

$R_i=\frac{-1}{{\mathrm{pg}}_i};$

第i层内声线的水平位移为：

$y_i=\frac{{\[1-{\left({\mathrm{pC}}_i\right)}^2\]}^{1/2}-{\[1-{\left(p\right(C_i+g_i{\mathrm{\Δz}}_i\left)\right)}^2\]}^{1/2}}{{\mathrm{pg}}_i},$

式中，θ_i为第i层声线的入射角，θ_i+1为第i+1层声线的入射角；

波束在该层经历的弧段长度为：

S_i＝R_i(θ_i-θ_i+1)；

经历该段的时间为：

$t_i=\frac{\arcsin \[p(C_i+g_i{\mathrm{\Δz}}_i)\]-\arcsin \left({\mathrm{pC}}_i\right)}{{\mathrm{pg}}_i^2{\mathrm{\Δz}}_i}\ln \[1+\frac{g_i{\mathrm{\Δz}}_i}{C_i}\],$

p为Snell常数，转换成曲率半径R进行迭代计算，p与R的关系为：

$R_i=-\frac{1}{{\mathrm{pg}}_i};$

用第一层的曲率半径R表示p：

$p=-\frac{1}{{\mathrm{Rg}}_1};$

声线水平位移为：

$y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}-{\[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}};$

用弦截法迭代求解曲率半径R的方程：

$f\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}-{\[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}}-y^0=0;$

将迭代计算得到的R换算成初始入射角，计算声波传播时间，与实测传播时间进行对比，列立误差方程并用最小二乘方法进行vcx迭代求解。

本发明提供的大入射角声线跟踪定位方法，将传统的分层等梯度声线跟踪进行了改进，分析了大入射角声线情况下定位失败的原因并进行了改进，既达到了扩大初始入射角迭代的最大范围，又提高了定位的效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为实施例的海面浮标位置数据与海底应答器位置示意图；

图3为实施例采用的中国南海声速剖面数据。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

根据模拟浮标位置对比原始定位方法作为对比例，与本方法的大入射角声线跟踪定位方法同时进行对比：

(1)定位数据

模拟四个浮标布设成正方形形状，浮标间距分别模拟为2200m、2400m和4000m。给浮标的三维坐标分别加上2米的余弦波动。如图2，海底模拟4个应答器A、B、C、D，坐标分别为(0,0,-500)，(0,40,-500)，(40,0,-500)，(40,40,-500)，单位均为m。总共模拟100个历元。水域模拟采用如图3所示的中国南海声速剖面数据，采样间隔为1m。误差模拟如下：换能器定位中误差x、y、z方向各为10cm，应答器时延偏差为10cm，声速测量误差为0.15m/s，浮标位置随机误差为10cm。

(2)浮标间距为2200m时两种方法定位结果，见表1：

表1浮标间距为2200m时两种方法定位结果

在入射角不太大的情况下，大入射角声线跟踪方法与原方法定位精度相当，但效率较原方法有所提升。

3、浮标间距为2400m时两种方法定位结果见表2：

表2浮标间距为2400m时两种方法定位结果

随着浮标间距的扩大，入射角的增大，原始定位方法失效，大入射角声线跟踪方法仍能有效定位。

4、浮标间距为4000m时两种方法定位结果见表3：

表3浮标间距为4000m时两种方法定位结果

针对此声速剖面数据，大入射角声线跟踪方法将最大入射角的解算范围扩大到88.8°。

Claims (1)

1.大入射角声线跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设声波经历的水柱分为N个等梯度层，声波在每层的传播速度是等梯度的，在水深为z_i的i层，分别用C_i和θ_i表示声波的传播速度和入射角度，第i层内的声速梯度g_i为：

g_i＝(C_i+1-C_i)/Δz_i

式中，Δz_i为第i层的水层厚度，C_i+1为第i+1层声速；

声波波束在第i层内的实际传播轨迹为一连续的、对应一定曲率半径R_i的弧段，R_i的表达式为：

$R_i=\frac{-1}{{\mathrm{pg}}_i};$

第i层内声线的水平位移为：

$y_i=\frac{{\[1-{\left({\mathrm{pC}}_i\right)}^2\]}^{1/2}-{\[1-{\left(p\right(C_i+g_i{\mathrm{\Δz}}_i\left)\right)}^2\]}^{1/2}}{{\mathrm{pg}}_i},$

式中，θ_i为第i层声线的入射角，θ_i+1为第i+1层声线的入射角；

波束在该层经历的弧段长度为：

S_i＝R_i(θ_i-θ_i+1)；

经历该段的时间为：

$t_i=\frac{\arcsin \[p\left(C_i+g_i{\mathrm{\Δz}}_i\right)\]-\arcsin \left({\mathrm{pC}}_i\right)}{{\mathrm{pg}}_i^2{\mathrm{\Δz}}_i}\ln \[1+\frac{g_i{\mathrm{\Δz}}_i}{C_i}\],$

p为Snell常数，转换成曲率半径R进行迭代计算，p与R的关系为：

$R_i=-\frac{1}{{\mathrm{pg}}_i};$

用第一层的曲率半径R表示p：

$p=-\frac{1}{{\mathrm{Rg}}_1};$

声线水平位移为：

$y=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}-{\[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}};$

用弦截法迭代求解曲率半径R的方程：

$f\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{{\[1-{(-\frac{C_i}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}-{\[1-{(-\frac{C_{i+1}}{{\mathrm{Rg}}_1})}^2\]}^{\frac{1}{2}}}{-\frac{g_i}{{\mathrm{Rg}}_1}}-y^0=0;$

将迭代计算得到的R换算成初始入射角，计算声波传播时间，与实测传播时间进行对比，列立误差方程并用最小二乘方法进行vcx迭代求解。