CN107390177B - 一种基于纯测向的被动水下声学定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，由布设在海底的单一声源发射定位信号，搭载在AUV船艏以及船尾上的应答器基阵接收声源信号，计算出每个基阵上的两个应答器的接收信号间的相位差，得到海底声源分别和船艏、船尾连线与船体之间形成的角度，从而得到AUV与声源之间的相对位置信息，之后通过坐标转换可以得到AUV当前的大地坐标。本方法仅通过相位差信息来进行定位，从而达到纯测向的目的，能够有效规避声速在水下传播的不规则而造成的距离误差，能够提升定位精度。此外应答器被动接收声信号，无需上浮出水面进行位置更新，不易暴露位置，提高了隐蔽性和安全性，且应答器置于AUV上，避免了常规置于海底时，所存在的数据通信问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下声学定位技术，属于导航、制导与控制技术领域。
背景技术
AUV(Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器)目前在执行各种水下任务中发挥着重要的作用，其中包括海洋探测、水下排雷和收集海洋及河流的水深测量数据等。为了保证AUV能够在水下顺利完成任务，并且得到比较精确的水下测量数据，就必须要求其在水下具有长期的自主的高精度定位导航能力，并且具有较高的隐蔽性。
现在大部分AUV上使用DVL(Doppler Velocity Log，多普勒计程仪)与SINS(Strap-down Inertial Navigation System，捷联惯导系统)进行组合导航，并通过舰位推算的方法来估计位置，但这样会引起惯导系统定位误差随着时间不断累积，而不能满足长期的自主的高精度定位要求。AUV在浅海执行任务时采用的“潜航-水面校正-潜航”的导航模式进行定位导航，即当AUV在水下航行时依靠SINS/DVL进行定位导航，当AUV在水下潜行一定时间后为了校正累积误差，AUV必须上浮水面，使用SINS/GPS组合导航系统进行校正。采用这种方案，虽然能达到校正累积误差的目的，但是必须要求AUV不断往返于水下作业地点与水面之间。这样做不仅影响工作效率，而且更容易暴露AUV的位置。特别是当AUV在深海或者冰下作业时，这种方案更加不切实际。因此，研究一种在水下长期的自主的进行可靠辅助定位的方法十分重要。
发明内容
技术问题：本发明针对以往的DVL与SINS进行组合导航方法存在的定位误差会随着时间不断累积、“潜航-水面校正-潜航”的导航模式容易暴露AUV的位置等在AUV水下自主式导航方面存在的问题，提供一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，利用海底声源来确定载体的位置。计算出的位置坐标，特别适用于长期的自主的水下高精度定位导航，并且具有较高的隐蔽性，且纯测向方式避免测距计算，能够有效规避声速在水下传播的不规则而造成的距离误差，使得定位精度达到一定的提升。
技术方案：一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，包括以下步骤：
(1)布设在海底的单一声源发射定位信号，搭载在AUV船艏与船尾的应答器基阵接收信号并传送给AUV上的计算机，AUV船艏与船尾的应答器基阵皆由两个应答器组成；
(2)AUV上的计算机分别计算得到船艏的两个应答器的接收信号之间的相位差以及船尾的两个应答器之间的相位差
(3)基于相位差分别计算出海底声源和船艏连线与船体之间形成的角度以及海底声源和船尾连线与船体之间形成的角度 其中，λ为接收信号的中心频率所对应的波长，d为应答器基阵的阵元间距，d≤λ/2；
(4)根据已知的船长L、海底声源的深度h、以及海底声源分别和船艏和船尾连线与船体之间形成的角度θ和γ，计算出海底声源在船体坐标系下的位置坐标；
(5)结合已知的声源的大地坐标，AUV在船体坐标系下的位置坐标以及步骤(4)求出的声源在船体坐标系下的位置坐标，进行坐标转换得到AUV的大地坐标。
作为优选的实施方式，步骤(4)计算出海底声源在船体坐标系下的位置坐标(x，y，z)的方法为：
(4.1)设定以船体中心为原点O(0，0，0)，以船艏到船尾方向为y轴正向，水平垂直于船体方向为x轴，竖直垂直于船体方向为z轴；
(4.2)由已知的船长L、海底声源的深度h得到在船体坐标系下，船艏坐标为船尾坐标为
(4.3)按照如下公式得到海底声源在船体坐标系下的坐标S(x，y，z)：
作为优选的实施方式，步骤(5)中AUV的大地坐标的计算方法为：
根据大地坐标与地球直角坐标系的转换关系求出已知的声源的大地坐标对应的声源的地球直角坐标系坐标(xe，ye，ze)，结合声源在船体坐标系下的位置坐标(x，y，z)，得到船体坐标系到地球直角坐标系的变换矩阵从而通过AUV在船体坐标系下的位置坐标，乘以变换矩阵进行坐标转换，得到AUV的直角坐标系坐标，再根据地球直角坐标系与大地坐标的转换关系得到AUV的大地坐标。
进一步地，所述基于纯测向的被动水下声学定位方法在得到AUV的大地坐标之后还包括根据测量信息进行导航解算，具体的方法为：
将AUV的大地坐标与AUV深度信息作为位置信息，结合速度信息和航向信息，与惯导提供的信息之差经过卡尔曼滤波后，输出量反馈给惯性导航系统，从而校正惯导长时间运行导致的积累误差。
有益效果：本发明采用超短基线水声定位部分原理，通过在水底设置单个声源，以及在AUV船艏以及船尾底部设置应答器基阵，利用海底声源持续发送声信号来对载体的位置进行实时更新，计算出的位置坐标是相对于地球坐标系下的坐标，再通过坐标转换，转换成大地坐标系下的经纬度数据。本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明利用海底声源发送超声波信号来对AUV的位置进行确定，AUV被动接收声信号，具有了较高的隐蔽性，不容易暴露AUV的位置。
(2)本发明采用基于纯测向的被动定位方法，避免测距计算，能够有效规避声速在水下传播的不规则而造成的距离误差，使得定位精度达到一定的提升。
附图说明
图1为本发明定位流程图；
图2为本发明的船体坐标系示意图；
图3为本发明的相位差解算入射角度的示意图；
图4为本发明的惯导修正方式示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例进行详细的描述；
如图1，本发明实施例公开的一种基于纯测向的被动水下声学定位方法的具体实施步骤如下：
(1)布设在海底的单一声源发射定位声信号，搭载在AUV船艏与船尾的应答器基阵接收并返回给AUV所接收到的信号；
(2)AUV上的计算机通过船艏与船尾的应答器基阵返回的接收信号，对信号进行初步处理，得到船艏与船尾的不同应答器之间的相位差；
(3)基于相位差分别计算出海底声源和船艏连线与船体之间形成的角度，以及海底声源和船尾连线与船体之间形成的角度。由于船艏船尾原理相同，以下使用船艏基阵为例详细介绍测海底声源分别与船艏和船尾之间形成的角度。如附图3，具体方法包括如下：
1)对船艏阵元1、2接收信号直接进行相位差解算可得到
2)设声源信号相对船体(即y轴)的方位角为θ，1、2阵元接收信号的相位差与θ的关系式为：
其中：d为应答器基阵的阵元间距(同一基阵的阵元间距d≤λ/2)，f0为接收信号的中心频率，λ为中心频率所对应的波长，c为平均声速；
3)由上式可进一步得到目标相对阵元1、2连线方向上的方位角θ为：
4)同理可以通过对船尾阵元3、4的接收信号得到相位差进而得到海底声源与船尾之间形成的角度为γ。
(4)根据已知的船长L、海底声源的深度h、以及海底声源分别与船艏和船尾之间形成的角度θ和γ，计算出海底声源在船体坐标系下的位置坐标；具体方法为：
设定以船体中心为原点O(0，0，0)，以船艏到船尾方向为y轴正向，水平垂直于船体方向为x轴，竖直垂直于船体方向为z轴，详细坐标系建立如图2；
由已知的船长L、海底声源的深度h可以得到在船体坐标系下，船艏坐标为船尾坐标为声源的z轴坐标为-h，设声源坐标为S(x，y，-h)；
以海底声源分别与船艏和船尾之间形成的角度θ和在船体与声源形成的三角形中，使用余弦定理，可得声源与船艏和船尾之间的距离R1和R2表示为：
而声源与船艏和船尾之间的距离R1和R2可以使用坐标表示为：
所以海底声源在船体坐标系下的坐标表示为：
(5)结合已知的声源的大地坐标，AUV在船体坐标系下的位置坐标以及步骤(4)求出的声源在船体坐标系下的位置坐标，进行坐标转换可得到AUV的大地坐标。
已知的声源的大地坐标(δ，ε，H)，设地球直角坐标系坐标为(xe，ye，ze)，则大地坐标转换成地球直角坐标的公式为：
其中,e为第一偏心率,N为纬度L处的卯酉圈半径，
其中,a为地球椭球长半轴。
通过根据大地坐标与地球直角坐标的转换公式求出的声源的地球直角坐标系(e系)坐标(xe，ye，ze)，以及步骤(4)求出的在船体坐标系(b系)下的位置坐标(x，y，z)，可以得到船体坐标系到地球直角坐标系的变换矩阵从而通过AUV在船体坐标系下的位置坐标，乘以变换矩阵进行坐标转换，可以得到AUV的直角坐标系坐标，再通过直角坐标到大地坐标的转换可以得到AUV的大地坐标。
(6)获取到AUV的大地坐标之后可以用于惯导系统的校正。通过得到的AUV的大地坐标，结合AUV自带的深度计所测深度信息作为位置信息，以及DVL所测速度信息和MCP(Magnetic Compass Pilot，磁罗经导航)所测船体的航向信息，三者与惯导提供的信息之差经过卡尔曼滤波后，输出量反馈给惯性导航系统，从而校正惯导长时间运行导致的积累误差，系统原理图如附图4。
本发明针对现有技术中的两种情况提出了有效的解决方式，采用基于海底单声源发出超声波，两个应答器基阵将接收到的信号传送给AUV上，由计算机可以得出每个基阵上的两个应答器的接收信号之间的相位差，从而得到海底声源分别与船艏、船尾连线与船体之间形成的角度，以此计算出声源在船体坐标系下的位置坐标，再由已知的声源直角坐标，得出变换矩阵从而将AUV在船体坐标系下的位置坐标，乘以变换矩阵变换为地球直角坐标，继而得到AUV的最新大地坐标。本方法通过基阵上的两个应答器的接收信号之间的相位差来对接收信号进行处理，从而达到纯测向的目的，避免测距计算，能够有效规避声速在水下传播的不规则而造成的距离误差，使得定位精度达到一定的提升。另一方面AUV船首以及船尾上的应答器被动接收声信号，AUV无需上浮出水面进行位置更新，不易暴露位置，有效地提高了隐蔽性和安全性，且应答器置于AUV上，避免了常规置于海底时，所存在的数据通信问题。
Claims (4)
1.一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)布设在海底的单一声源发射定位信号，搭载在AUV船艏与船尾的应答器基阵接收信号并传送给AUV上的计算机，AUV船艏与船尾的应答器基阵皆由两个应答器组成；
(2)AUV上的计算机分别计算得到船艏的两个应答器的接收信号之间的相位差以及船尾的两个应答器之间的相位差
(3)基于相位差分别计算出海底声源和船艏连线与船体之间形成的角度以及海底声源和船尾连线与船体之间形成的角度 其中，λ为接收信号的中心频率所对应的波长，d为应答器基阵的阵元间距，d≤λ/2；
(4)根据已知的船长L、海底声源的深度h、以及海底声源分别和船艏和船尾连线与船体之间形成的角度θ和γ，计算出海底声源在船体坐标系下的位置坐标；
(5)结合已知的声源的大地坐标，AUV在船体坐标系下的位置坐标以及步骤(4)求出的声源在船体坐标系下的位置坐标，进行坐标转换得到AUV的大地坐标。
2.根据权利要求1所述的一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，其特征在于，所述步骤(4)计算出海底声源在船体坐标系下的位置坐标(x，y，z)的方法为：
(4.1)设定以船体中心为原点O(0，0，0)，以船艏到船尾方向为y轴正向，水平垂直于船体方向为x轴，竖直垂直于船体方向为z轴；
(4.2)由已知的船长L、海底声源的深度h得到在船体坐标系下，船艏坐标为船尾坐标为
(4.3)按照如下公式得到海底声源在船体坐标系下的坐标S(x，y，z)：
3.根据权利要求1所述的一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，其特征在于，所述步骤(5)中AUV的大地坐标的计算方法为：
根据大地坐标与地球直角坐标系的转换关系求出已知的声源的大地坐标对应的声源的地球直角坐标系坐标(xe，ye，ze)，结合声源在船体坐标系下的位置坐标(x，y，z)，得到船体坐标系到地球直角坐标系的变换矩阵从而通过AUV在船体坐标系下的位置坐标，乘以变换矩阵进行坐标转换，得到AUV的直角坐标系坐标，再根据地球直角坐标系与大地坐标的转换关系得到AUV的大地坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于纯测向的被动水下声学定位方法，其特征在于，还包括：在得到AUV的大地坐标之后，将AUV的大地坐标与AUV深度信息作为位置信息，结合速度信息和航向信息，与惯导提供的信息之差经过卡尔曼滤波后，输出量反馈给惯性导航系统，从而校正惯导长时间运行导致的积累误差。
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