CN108267719B - 一种水下多个信标实时定位的方法 - Google Patents
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Abstract
一种水下多个信标实时定位的方法，属于水下多个运动物体实时定位技术领域。该方法可以解决水下多个信标实时定位的问题，其特征是包括：6个构成正六边形型的水面接收浮标以及位于中间的1个水面收发主浮标，构成定位区域并通过DGPS同步技术实现时间上的同步。被定位物体携带应答式声定位信标进入定位区域，中心浮标定位基元发射测距指令(包含地址信息)，被寻址到的定位信标接收指令信号并发出回码信号(回码信号频率不同)，各接收分基元接收回码信号通过内部多路选频电路进行信号分离并进行多路测距，将测距信息和本身的位置信息通过高频数传电台传输给岸站平台，岸站通过三椭圆交汇算法便可同时解算出多个定位信标的实时三维位置。
Description
技术领域
本发明属于水下多个运动物体实时定位技术领域，涉及一种用于监控多个水下目标位置和运动轨迹的方法，特别是涉及一种采用声学长基线定位理论，以三椭圆交汇的定位方法，以水面浮标搭载定位基元，被定位物体搭载应答式水声信标为实现形式的水下多个运动物体实时定位的方法。
背景技术
目前国际上对于水声定位方法按定位基线长度可分成三类：长基线(LBL)定位、短基线(SBL)定位、超短基线(USBL)定位。其中长基线定位至少需要三个基元对定位目标进行测距。根据测距方式的不同可分为主动定位、被动定位两种模式。被动定位主要依靠被测目标的辐射噪声进行定位，主动定位包括同步测距定位、异步测距定位以及应答式测距定位。
同步测距定位、异步测距定位以及应答式测距定位各有利弊，同步测距定位多采用三圆交汇定位原理，算法简单，精度高，且所需要的基元数量较少，但需要在试验前需同步目标信标和水下定位基阵的时基，目标信标由于需要加入同步钟设计，设计复杂且成本较高；异步测距定位不需要同步时基，但算法较复杂，其定位精度较低；应答式测距定位本质上也是采用三圆交汇定位原理，并且也不需要同步时基，但由于各基元需要依次测距，所以应答式定位测量频率要大大低于同步定位方式，不适用于对运动物体的实时定位和跟踪。
发明内容
为了克服上述背景技术的不足，本发明提供的一种水下多个信标实时定位的方法包括：6个构成蜂窝型的水面接收浮标以及位于正中间的1个水面发射接收主浮标，构成定位区域，浮标作为定位基元载体在水下吊放水声收发换能器，被定位物体携带应答式声定位信标，二者形成水声通信链路。
当多个携带定位信标的运动物体进入定位区域内，中心浮标定位基元发射测距指令信号，运动物体携带的定位信标接收测距指令信号并回码，各接收分基元接收回码信号进行测距，然后将距离信息和本身的位置信息传输给岸站平台进行水下信标三维位置解算。
本发明的有益效果是，在定位测试前省略了同步目标信标和水下定位基阵时基的过程，简化了定位信标的设计，降低了成本，同时采用“一点发射，多点同时接收”的模式，提高了测量效率，并提出了三椭圆交汇定位方法，算法简单可靠，兼具了同步测距定位和应答式测距定位的优点。
附图说明
图1是水下多个运动物体实时定位系统构成示意图。
图2是单个信标三椭圆交汇定位原理示意图。
图1中：1a接收浮标1#；1b接收浮标2#；1c接收浮标3#；1d接收浮标4#；1e接收浮标5#；1f接收浮标6#；1g中心收发主浮标；2a无线数传模块；2b测量船；2c船载显控平台；3岸站；4水下移动目标；5应答式信标；6在线校准声源；
图2中：F0收发主基元水听器到目标信标的直线距离；F1接收基元1#水听器到目标信标的直线距离；F2接收基元2#水听器到目标信标的直线距离；F3接收基元3#水听器到目标信标的直线距离；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。本实施例公开了一种水下多个运动物体实时定位的方法。
第一步：系统构建
如图1所示，系统构建包括6个构成蜂窝型的水面接收浮标以及位于正六边形正中间的1个水面中心收发主浮标，构成定位区域，浮标作为定位基元载体水面部分搭载DGPS设备和高频无线数传电台，水下部分吊放水声收发换能器，其三维空间位置通过搭载的DGPS实时测量可以视为已知量。定位区域水下安放位置已知的在线校准声源对整个系统进行在线校准，被定位物体携带应答式声定位信标，发射主基元与各接收浮标分基元通过GPS时钟同步技术实现时间上的精确同步。
第二步：系统工作方式
当多个携带应答式声定位信标的运动物体进入定位区域内，中心收发主浮标定位基元通过水声换能器发射测距指令信号，测距指令中包含定位信标的地址信息，当发射主基元开始发送测距指令时，各接收浮标分基元同时开始计时并进入接收状态。
运动物体携带的定位信标接收测距指令信号，被寻址到的定位信标发出回码信号(相同编码地址的定位信标回码频率不同)，各接收基元接收回码信号并通过内部多路选频电路将多个定位信标回码信号进行有效分离，根据声程(即开始接收时间与回码信号接收到的时间差)与水中声速相乘计算出多个定位信标到发射主基元与接收基元的直线距离之和，这样便构成了多个以发射主基元位置和接收分基元位置为焦点的椭球，而这些定位信标位置则分别位于这些椭球表面。
各接收浮标将多个定位信标的距离信息和本身的位置信息通过高频无线电实时传输给岸站平台。中心发射主浮标定位基元在询问完一组地址相同的定位信标后，可以改变测距指令中的地址信息，对其他编码地址的定位信标进行定位，从而对可实时定位的运动物体数量进行了有效扩展。
第三步：系统算法
岸站平台接收多个浮标电台的距离以及本位置信息，针对单个运动物体的位置解算通过长基线三椭圆交汇定位方法。
如图2所示，长基线三椭圆交汇方法原理的数学模型。
其中：
Fi：第i个接收基元水听器到目标信标的直线距离。
F0：发射主基元水听器到目标信标的直线距离。
Xi、Yi、Zi：第i个接收基元水听器的位置(三维坐标)。
X0、Y0、Z0：发射主基元水听器的位置(三维坐标)。
x、y、z：目标当前位置(三维坐标)
c：水中声速。
Δti：第i个接收基元水听器收到目标信标发射信号时间与本地基准时间的差。
通过数学模型可知，只要任意3个接收浮标提供了有效距离数值，通过三椭圆交汇算法便可解算出一个定位信标的实时三维位置。
Claims (1)
1.一种水下多个信标实时定位的方法，其特征在于，系统包括6个构成蜂窝型的水面接收浮标以及位于正中间的1个水面发射接收主浮标，构成定位区域，浮标作为定位基元载体，其水面部分搭载DGPS设备和高频无线数传电台，水下部分吊放水声收发换能器，其三维空间位置通过搭载的DGPS实时测量视为已知量，发射主基元与各接收浮标分基元通过GPS时钟同步技术实现时间上的精确同步，定位区域水下安放位置已知的在线校准声源对整个系统进行在线校准，被定位运动物体佩戴应答式声定位信标，中心收发主浮标定位基元负责发射测距指令信号，测距指令中包含定位信标的地址信息，被寻址到的定位信标接收测距指令信号并发出回码信号，相同编码地址的定位信标回码频率不同，各接收分基元接收回码信号，通过多路选频电路将多个定位信标回码频率信号进行分离，根据声程，即开始接收信号时间与回码信号接收到的时间差与水中声速相乘计算出定位信标到发射主基元与接收基元的直线距离之和，这样便构成了一个以发射主基元位置和接收分基元位置为焦点的椭球，而定位信标位置则位于椭球表面，各接收浮标将多个信标的距离信息和本身的位置信息通过高频无线电实时传输给岸站平台，岸站平台通过三椭圆交汇定位算法便可解算出多个信标的实时三维位置，中心发射主浮标定位基元在询问一组地址相同的定位信标后，改变测距指令中的地址信息，对其他编码地址的定位信标进行定位，从而对可实时定位的运动物体数量进行了有效扩展。
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