CN107664758A - 基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法 - Google Patents

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    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/22—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Abstract

本发明涉及一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法，包括设置于水下机器人或水下航行器的测阵声纳和声速剖面仪以及分布于海域的测阵网点，通过测阵声纳和声速剖面仪获取水下机器人或水下航行器设备与海底测量阵点应答器之间的距离、方位，以及当前海域的声速剖面，并解析计算得出水下下机器人或水下航行器设备的精确位置,代替水面GPS定位或有源校准。本发明隐蔽性好，冗余性好，实现水下下机器人或水下航行器的水中定位导航，在未来军事应用前景广阔，并将为我国近海国防事业提供重大帮助，为海洋的开发利用提供一种有效定位手段。

Description

基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法
技术领域
本发明涉及深海导航领域，具体地说是一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法。
背景技术
近年来国内外的水声定位技术不断发展，定位精度不断提高，轻便易用的长基线或超短基线水声定位系统原有的相位模糊(目标定位位置跳象限)，在与基阵面垂直向下的方向和水平方向存在低精度区等缺点已被克服，加上采用一系列的近代信号处理技术，使长基线或超短基线系统能以稳定的高精度测量结果参与水下或海底点坐标测量系统。这样水下机器人或水下航行器就不用浮出水面进行位置校准，可以实时知道自己的精确位置。
全球卫星定位系统(GPS)实现了全球开阔陆地、海面和外部空间的定位导航，由于无线电波信号不能够在海水中传播，对于广大的湖泊、海洋水下空间，却不能够直接使用。
所以现有的水下机器人或水下航行器的导航就是依赖于水上的GPS定位，水下航行一段时间必须浮出水面进行校准，以确保导航精度。目前还没有一种类似于GPS接收机一样，依靠来自多颗卫星的信号便能精确定位，而水下航行器若也采用同样的方式，通过从若干固定水下声源的声波信号来辨别计算它们的位置，那就可以取代水上的GPS定位，实现水下导航定位。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法，解决了水下下机器人或水下航行器的水中导航，同时解决了水下下机器人或水下航行器远距离航行和设备的隐蔽性，在未来军事应用前景广阔，并将为我国近海国防事业提供重大帮助，为海洋的开发利用提供一种有效定位手段。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统，包括
测阵网点分布于海域内，数量大于3个，并且使任意两个测阵网点在彼此作用距离之内，用于接收水下机器人或水下航行器发出的声纳信号，并将应答声源信号反馈到水下机器人或水下航行器；
测阵声纳设置于水下机器人或水下航行器上，用于发出声纳信号并采集测阵网点反馈的应答信号给水下机器人或水下航行器；
声速剖面仪设置于水下机器人或水下航行器上，用于获取当前海域的声速剖面。
所述测阵声纳为长基线或超短基线的声纳设备。
所述测阵网点按照正方型分布于海域内，使点阵形成正方型阵列。
所述测阵网点为长基线或超短基线的海底测量阵点应答器。
一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位方法，包括以下步骤：
步骤1：将测阵网点分布于海域内组成阵网，并标定其绝对大地坐标；
步骤2：水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳，发出声脉冲声源信号到测阵网点，测阵网点回应应答信号给测阵声纳，通过声源的声传播所需时间(即斜距)来计算水下机器人或水下航行器的距离和方位；
步骤3：水下机器人或水下航行器通过声速剖面仪测得当前海域的声速剖面；
步骤4：水下机器人或水下航行器解码获取测阵网点绝对大地坐标的加密编码信息；
步骤5：水下机器人或水下航行器通过解析、解算得到的距离、方位、声速剖面和测阵网点的绝对大地坐标值来计算水下机器人或水下航行器的坐标位置。
所述测阵网点为长基线或超短基线的海底测量阵点应答器。
对所述测阵网点绝对大地坐标进行加密处理。
所述绝对大地坐标由X轴、Y轴和Z轴组成，其中X轴为纬度、Y轴为经度、Z轴为海拔高度。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.发展前景广阔。本发明中基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统方法在大多海洋工程，如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路由调查与维护等，以及海洋灾害性地质研究、水下考古探测等提供重要帮助，它的精确定位导航是完成水下作业和各项使命的必要前提和关键。
2.隐蔽性好。本发明中基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统方法，在海底布置大量的测阵应答器点，组成测量阵网，水下下机器人或水下航行器不用再浮出水面上暴露目标，尤其海军水下项目的应用将提供极大帮助。
3.冗余性好。本发明中基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统方法，基于空间三线定一点的原则，只要获取三个测阵点的信息就可以确定水下下机器人或水下航行器的位置，所以在广阔的测量阵网有效作用距离内就可以实现精确导航定位功能。
附图说明
图1是本发明的测阵网点分布图；
图2是本发明的测距定位坐标计算示意图；
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示是本发明的测阵网点分布图。在导航定位的海域海底布置测阵网点，用于接收水下机器人或水下航行器发出的声纳信号，并将应答声源信号反馈到水下机器人或水下航行器。数量大于3个，测阵网点按照正方型分布于海域内，使点阵形成正方型阵列。并且使任意两个测阵网点在彼此作用距离之内，并对每一个测阵网点进行标定确认该测阵网点的绝对大地坐标值。
水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳，发出声脉冲声源信号到水底测阵点应答器，水底测阵点应答器回应应答信号给水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳。这样通过声源的声传播所需时间(即斜距)来计算水下机器人或水下航行器的距离和方位。
水下机器人或水下航行器通过设置的声速剖面仪，获取当前海域的声速剖面。同时水下机器人或水下航行器解码获取测阵网点绝对大地坐标的加密编码信息；这样水下机器人或水下航行器通过解析、解算得到的距离、方位、声速剖面和测阵网点的绝对大地坐标值来计算水下机器人或水下航行器的坐标位置。
如图2所示是本发明的测距定位坐标计算示意图。
任意三测阵网点坐标为
A(0,0,z1)，B(0，y2,z1)，C(x3,y3,z1)
于是可建立基本方程
在方程(1)中，R1，R2和R3为斜距，是测得的量，水下机器人或水下航行器坐标为(x,y,z)，其中z深度量由压力传感器测得，不用计算。方程(1)的解的几何意义为三个球面的交点，一般交点是两个，当z已知后，可唯一定解。现在由于三测阵网点的深度假定相同，即使目标深度z不知，也可以唯一定出目标的(x,y)坐标。
由(1)解得
(2)的形式是适宜于计算机计算的，当y计算出后，再利用y值计算x。系统参数y2，x3，y3，由三角形的边长唯一确定。这样就算出水下机器人或水下航行器的具体坐标位置。
图3所示是本发明的方法流程图。具体为：
步骤1：将测阵网点分布于海域内组成阵网，并标定其绝对大地坐标；
步骤2：水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳，发出声脉冲声源信号到水底测阵点应答器，水底测阵点应答器回应应答信号给水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳。这样通过声源的声传播所需时间(即斜距)来计算水下机器人或水下航行器的距离和方位。
步骤3：水下机器人或水下航行器通过声速剖面仪测得当前海域的声速剖面；
步骤4：水下机器人或水下航行器解码获取测阵网点绝对大地坐标的加密编码信息；
步骤5：水下机器人或水下航行器通过解析、解算得到的距离、方位、声速剖面和测阵网点的绝对大地坐标值来计算水下机器人或水下航行器的坐标位置。

Claims (9)

1.一种基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统，其特征在于：包括
测阵网点分布于海域内，数量大于3个，并且使任意两个测阵网点在彼此作用距离之内，用于接收水下机器人或水下航行器发出的声纳信号，并将应答声源信号反馈到水下机器人或水下航行器；
测阵声纳设置于水下机器人或水下航行器上，用于发出声纳信号并采集测阵网点反馈的应答信号给水下机器人或水下航行器；
声速剖面仪设置于水下机器人或水下航行器上，用于获取当前海域的声速剖面。
2.根据权利要求1所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统，其特征在于：所述测阵声纳为长基线或超短基线的声纳设备。
3.根据权利要求1所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统，其特征在于：所述测阵网点按照正方型分布于海域内，使点阵形成正方型阵列。
4.根据权利要求1或3所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统，其特征在于：所述测阵网点为长基线或超短基线的海底测量阵点应答器。
5.一种权利要求1～4任一项所述系统的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将测阵网点分布于海域内组成阵网，并标定其绝对大地坐标；
步骤2：水下机器人或水下航行器设置的测阵声纳，发出声脉冲声源信号到测阵网点，测阵网点回应应答信号给测阵声纳，通过声源的声传播所需时间来计算水下机器人或水下航行器的距离和方位；
步骤3：水下机器人或水下航行器通过声速剖面仪测得当前海域的声速剖面；
步骤4：水下机器人或水下航行器解码获取测阵网点绝对大地坐标的加密编码信息；
步骤5：水下机器人或水下航行器通过解析、解算得到的距离、方位、声速剖面和测阵网点的绝对大地坐标值来计算水下机器人或水下航行器的坐标位置。
6.根据权利要求5所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位方法，其特征在于：所述测阵网点为长基线或超短基线的海底测量阵点应答器。
7.根据权利要求5所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位方法，其特征在于：对所述测阵网点绝对大地坐标进行加密处理。
8.根据权利要求5或7所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位方法，其特征在于：所述绝对大地坐标由X轴、Y轴和Z轴组成，其中X轴为纬度、Y轴为经度、Z轴为海拔高度。
9.根据权利要求5所述的基于长基线或超短基线组网的深海导航定位方法，其特征在于：所述测阵声纳为长基线或超短基线的声纳设备。
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