CN108802737A - 一种用于浅水域水下定位的超短基线系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用于浅水域水下定位的超短基线系统及校准方法。包括水下基阵、甲板控制单元、姿态传感器和卫星定位装置，卫星定位装置、姿态传感器配置完备后与母船固连，卫星定位装置和姿态传感器与甲板控制单元建立数据连接，水下基阵通过安装架与母船体固连，水下基阵相对于母船坐标系有一个初始安装角，所述初始安装角度的大小根据由保证被定位对象的预定轨迹在水下基阵探测开角的中间位置附近的条件确定。本发明的校准方法利用遗传算法全局寻优的特点，获得校准方程准确解的近似值，将其作为高斯‑牛顿最小二乘法迭代求解的初始值，使校准结果更加准确可靠。

Description

一种用于浅水域水下定位的超短基线系统及校准方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下目标定位系统，具体地说是一种超短基线水下目标定位系统。本发明也涉及一种超短基线水下目标定位系统的校准方法。

背景技术

超短基线是一种水下定位技术，与其他基线系统相比，超短基线尺寸小易安装。目前被普遍应用于海洋石油勘探开发、海洋打捞等海洋生产开发方面，主要用于确定ROV、AUV、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。

通常超短基线的水下基阵存在一个声学探测开角，在水深较大的情况下，其水平探测距离基本可以满足使用要求，但在浅水区域(如：近海、湖泊、内河)，水平探测区域将严重受到限制。从图1可以看出，常规的安装方式下，仅当水下航行器处于水下基阵开角范围(∠AOB)内，其位置才可被超短基线系统所确定，一旦超出范围就无法再获取其准确位置。亟需一种浅水域下的水下定位方法。

研究表明，水下基阵的安装偏角误差是造成超短基线系统定位误差的主要因素，因此，超短基线系统通常都需要进行安装校准。常规的校准方式是将应答器固定于水底，由母船携带水下基阵按照预定的轨迹(通常为田字格、圆形或者S型)航行，这需要母船具有非常良好的自航性，同时对校准海域的海况也提出了一定的要求。亟需一种方便、快速、稳定地校准方法。

目前，超短基线系统的校准时的校准方程多采用最小二乘法进行迭代求解，这种方法的优势在于计算收敛速度快，计算精度也比较高，满足定位精度需求，但最小二乘法对于初始值的依赖度非常高，初始值如果选取的不当就会造成收敛速度慢、计算发散、结果虚假等。亟需一种准确可靠的校准方程求解方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于浅水域下的水下定位的用于浅水域水下定位的超短基线系统。本发明的目的还在于提供一种校准流程简单，校准结果准确可靠的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的用于浅水域水下定位的超短基线系统，包括水下基阵、甲板控制单元、姿态传感器和卫星定位装置，卫星定位装置、姿态传感器配置完备后与母船固连，卫星定位装置和姿态传感器与甲板控制单元建立数据连接，水下基阵通过安装架与母船体固连，水下基阵相对于母船坐标系有一个初始安装角，所述初始安装角度的大小根据由保证被定位对象的预定轨迹在水下基阵探测开角的中间位置附近的条件确定。

本发明的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法为：

(1)超短基线系统安装时，记录下安装时各个设备的偏心距离以及安装偏角；

(2)超短基线系统校准前，在预定水域放置应答器并固定其位置，记录大地坐标系下应答器的位置坐标；

(3)超短基线系统校准时，根据预定探测距离规划出一条直线航迹，开启超短基线定位系统采集存储数据，母船沿航迹航行，分别在航迹起始点、中点及终点处停泊数分钟进行数据采集；

(4)使用聚集度算法处理获得的数据，选取集聚度排名前100～200的数据点，利用遗传算法全局搜索超短基线校准方程的解，获得一组接近真实解θ的近似解θ^*；

(5)将步近似解θ^*作为初始迭代点，利用等权值高斯-牛顿最小二乘法迭代求解超短基线校准方程，获得精确度更高的近似解θ^s，此解即为超短基线的安装角度误差。

本发明的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法还可以包括：

1.大地坐标系下应答器的位置坐标X_A＝[x,y,z]，其中x，y值是通过卫星定位装置提供的经纬度转化而来，z值为应答器深度。

2.所述根据预定探测距离规划出一条直线航迹具体包括：母船航迹中点与应答器的连线在水平面上的投影长度L为预定量测距离的1.5～4倍；超短基线系统采集到的数据包括：母船位置坐标X_M、母船姿态θ_M、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C。

3.步骤(4)具体包括：

1)集聚度算法的基本流程：

a.为量测数据组中的每个数据元素附加上表征聚集度的变量N；

b.按时间顺序遍历计算任意两个量测数据元素的空间距离R，如果R大于事先设置的阈值Ri，则两个量测数据元素的聚集度N均加1；

c.按聚集度N值的大小，对所有量测数据元素进行降序排列，选择排名前100～200的数据元素作为下一步求解校准方程的原始数据；

2)校准方程为：

X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A＝0

其中△X_W为卫星定位装置相对于船体坐标的偏移量，△X_T为水下基阵相对于船体坐标系的偏移量，X_A为大地坐标系下应答器位置坐标，X_C为水下基阵坐标系下应答器位置坐标，R(θ_M)、R(θ)表示与θ_M、θ相关的坐标系旋转转换矩阵，θ_M表示母船的当前姿态角由姿态传感器测得，θ表示水下基阵相对于船体坐标系的安装偏角即校准所求结果；

3)遗传算法特征为：采用48位二进制数进行编码，初始种群数量50～300，适应度函数为：

f(θ)＝|X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A|

个体被选择的概率与适应度值成正比，并按照轮盘赌选择的方法选出新的种群，交叉概率为80％～95％，变异概率为2％～15％，遗传代数为500～2000代。

本发明的用于浅水域水下定位的超短基线系统安装时，卫星定位装置、姿态传感器配置完备后与母船固连，并与甲板控制单元建立数据连接。水下基阵通过安装架与母船体固连，并使水下基阵有一个较大的初始安装角(相对于母船坐标系)。研究表明，定位精度与被定位对象与基阵坐标轴的夹角θ有关，θ越大精度越高。为了保证系统的定位精度，角度偏差的大小与实际的定位任务相关，如图2所示，应尽量保证被定位对象的预定轨迹在水下基阵探测开角的中间位置附近。记录下安装时各个设备的偏心距离以及安装偏角。其中卫星定位装置相对于船体坐标的偏移量为△X_W；水下基阵相对于船体坐标系的偏移量为△X_T。

超短基线系统校准前，在预定水域布放应答器，并固定其位置(如图3)，记录大地坐标系下应答器的位置坐标X_A。通常船舶航行的直线性良好，可以稳定地沿着预先规划好的直线航迹航行，分别在航迹起始点、中点及终点处停泊数分钟进行数据采集。为了兼顾定位的精度与校准耗时(通常校准时间长短与校准成本正相关)，三个测量点与应答器之间应保持一定的几何关系(如图4)，图中∠AOB、∠BOC的大小应该在45°至60°之间。母船航迹中点与应答器的连线在水平面上的投影长度L为预定量测距离1.5～4倍，L过小会导致定位精度不够，L过大会导致校准时间过长。

超短基线系统采集到的数据包括：母船位置坐标X_M(由卫星定位装置提供经纬度转换而来)、母船姿态θ_M(由姿态传感器提供)、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C。由坐标系变换关系，可以建立大地坐标系下应答器位置坐标X_A与水下基阵坐标系下应答器位置坐标X_C之间的函数关系式，即校准方程：

X_A＝X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]

其中R(θ_M)、R(θ)表示与θ_M、θ相关的坐标系旋转转换矩阵；θ表示水下基阵的安装偏角(即校准所求结果)。

超短基线系统量测过程中受到噪声等环境因素影响，可能出现偏离较大的数据点，为保证校正精度，利用聚集度算法对量测数据进行处理以减小环境因素的影响。具体数据处理过程如图5。第一步，为量测数据组中的每个数据元素(包含这一时刻母船位置坐标X_M、母船姿态θ_M、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C)附加上一个表征聚集度的变量N；第二步，按时间顺序遍历计算任意两个量测数据元素的空间距离R，如果R大于事先设置的阈值Ri，则两个量测数据元素的聚集度N均加1；第三步，按聚集度N值的大小，对所有量测数据元素进行降序排列，选择排名前100～200的数据元素作为下一步求解校准方程的原始数据。

利用遗传算法全局搜索超短基线校准方程的解，获得一组接近真实解的近似解θ^*。采用48位二进制数进行编码(如计算精度要求高可适当增加编码位数)，初始种群数量50～300。适应度函数为：

f(θ)＝|X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A|

个体被选择的概率与适应度值成正比，并按照轮盘赌选择的方法选出新的种群，交叉概率为80％～95％，变异概率为2％～15％，遗传代数为500～2000代。

将遗传算法的计算结果θ^*作为初始迭代点，利用传统的等权值高斯-牛顿最小二乘法迭代求解超短基线校准方程，获得精确度更高的近似解θ^S，此解即为超短基线的安装角度误差。

传统的超短基线系统安装方式在浅水域下水平测量范围有限，无法满足浅水域下定位的需求；同时校准过程复杂繁琐，对海况以及母船性能要求严苛。本发明使水下基阵在母船上安装时有一个较大的初始安装角(相对于母船坐标系)，扩大了其水平探测范围，实现对浅水域下的目标进行准确定位。设计了直线型的母船航迹，有效简化了超短基线校准流程，减少了校准所需时间，同时降低了校准过程中对母船自航性以及海况的要求。传统方法在进行校准方程的解算时，直接运用高斯-牛顿最小二乘法进行迭代计算，该方法对初始值的依赖很大，实际使用中经常因初始值选择不当而造成计算发散、计算结果错误等情况。本发明利用遗传算法全局寻优的特点，获得校准方程准确解的近似值，将其作为高斯-牛顿最小二乘法迭代求解的初始值，使校准结果更加准确可靠。

本发明解决了对浅水域下的水下定位的问题，有效简化了超短基线校准流程，减少了校准所需时间，并能提供准确可靠的校准结果。

附图说明

图1是传统超短基线工作示意图；

图2是本发明中超短基线安装示意图；

图3是本发明中校准时应答器安装示意图；

图4是本发明中校准时母船与应答器位置关系示意图；

图5是本发明中利用聚集度算法处理量测数据的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明提出了一种超短基线用于浅水域定位的安装及校准方法，解决了浅水域下的水下定位的问题，有效简化了超短基线校准流程，减少了校准所需时间，同时能提供准确可靠的校准结果。

超短基线系统安装时，如图2所示，水下基阵通过安装架与母船体固连，为了利用现有的常规超短基线系统来实现浅水域下的精确定位，改变水下基阵的安装方式，使水下基阵有一个较大的初始安装角(相对于母船坐标系)。最理想的安装状态是水下基阵只有相对于船体坐标系的横倾角，并保证被定位对象的预定轨迹在水下基阵探测开角的中间位置附近。卫星定位装置、姿态传感器配置完备后与母船固连，并与甲板控制单元建立数据连接。安装连接完成后，记录下安装时各个设备的偏心距离以及安装偏角。其中卫星定位装置相对于船体坐标的偏移量为△X_W；水下基阵相对于船体坐标系的偏移量为△X_T。

超短基线系统校准前，在预定水域布放应答器，并固定其位置(如图3)。布放时用绳索连接浮球、应答器及压载重物。应答器尽量靠近水下压载重物，防止应答器在水下因水面浮球运动影响而来回运动，造成系统性误差。布放完成后，利用卫星定位装置确定布放点的经纬度，并转换为大地坐标系下的水平面位置坐标；测出应答器的布放深度。记录下大地坐标系下应答器的位置坐标X_A。根据定位任务需要，规划一条直线航迹，其特征为：(1)起点、中点及终点与应答器之间保持如图4的几何关系；(2)中点与应答器的连线在水平面上的投影长度L为预定量测距离1.5～4倍。

超短基线系统校准时母船沿着预先规划好的直线航迹航行，分别在航迹起始点、中点及终点处停泊数分钟进行量测数据的采集。需要说明的是规划航迹时，∠AOB、∠BOC的大小应该在45°至60°之间。超短基线系统采集到的数据包括：母船位置坐标X_M(由卫星定位装置提供经纬度转换而来)、母船姿态θ_M(由姿态传感器提供)、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C。

建立大地坐标系下应答器位置坐标X_A与水下基阵坐标系下应答器位置坐标X_C之间的函数关系式，即校准方程：

X_M＝ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A＝0

其中R(θ_M)、R(θ)表示与θ_M、θ相关的坐标系旋转转换矩阵；θ＝[φ，θ，ψ]表示水下基阵的安装偏角，φ，θ，ψ即水下基阵相对于船体坐标系X，Y，Z轴的偏转角(即校准所求结果)。

利用聚集度算法对每个量测点处获得量测数据进行处理，去除量测过程中受到噪声等环境因素影响而偏离过大的数据点，以减小环境因素的影响。具体数据处理过程如图5。第一步，为量测数据组中的每个数据元素(包含这一时刻母船位置坐标X_M、母船姿态θ_M、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C)附加上一个表征聚集度的变量N；第二步，按时间顺序遍历计算任意两个量测数据元素的空间距离R，如果R大于事先设置的阈值Ri，则两个量测数据元素的聚集度N均加1；第三步，按聚集度N值的大小，对所有量测数据元素进行降序排列，选择排名前100～200的数据元素作为下一步求解校准方程的原始数据。

利用遗传算法全局搜索超短基线校准方程的解，获得一组接近真实解的近似解θ^*。其中遗传算法的基本特征为：

(1)采用二进制对个体基因(θ＝[Φ，θ)编码，实际使用过程中发现，φ，θ三个安装偏角大小均在-80°～之间，精确到小数点后2位已足够后期使用要求，每个参数用8位二进制数表示(4位表示整数部分，4位表示小数部分)，则采用48个二进制数已足够描述个体基因情况，因此个体基因采用48个二进制数进行编码，如计算精度要求高可适当增加编码位数，初始种群数量50 300。

(2)适应度函数由校准方程变换而得，即：

f(θ)＝|X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A|。

(3)个体被选择的概率与适应度值成正比，并按照轮盘赌选择的方法选出新的种群，交叉概率为80％～95％，变异概率为2％～15％。

(4)遗传代数的选取不宜过大也不宜过小，实际使用时选则500～2000代即可满足要求。

将遗传算法的计算结果θ^*作为初始迭代点，利用传统的等权值高斯-牛顿最小二乘法迭代求解超短基线校准方程，获得精确度更高的近似解θ^S，此解即为超短基线的安装角度误差。

Claims (5)

1.一种用于浅水域水下定位的超短基线系统，包括水下基阵、甲板控制单元、姿态传感器和卫星定位装置，其特征是：卫星定位装置、姿态传感器配置完备后与母船固连，卫星定位装置和姿态传感器与甲板控制单元建立数据连接，水下基阵通过安装架与母船体固连，水下基阵相对于母船坐标系有一个初始安装角，所述初始安装角度的大小根据由保证被定位对象的预定轨迹在水下基阵探测开角的中间位置附近的条件确定。

2.一种权利要求1所述的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法，其特征是：

(1)超短基线系统安装时，记录下安装时各个设备的偏心距离以及安装偏角；

(2)超短基线系统校准前，在预定水域放置应答器并固定其位置，记录大地坐标系下应答器的位置坐标；

(3)超短基线系统校准时，根据预定探测距离规划出一条直线航迹，开启超短基线定位系统采集存储数据，母船沿航迹航行，分别在航迹起始点、中点及终点处停泊数分钟进行数据采集；

(4)使用聚集度算法处理获得的数据，选取集聚度排名前100～200的数据点，利用遗传算法全局搜索超短基线校准方程的解，获得一组接近真实解θ的近似解θ^*；

(5)将步近似解θ^*作为初始迭代点，利用等权值高斯-牛顿最小二乘法迭代求解超短基线校准方程，获得精确度更高的近似解θ^s，此解即为超短基线的安装角度误差。

3.根据权利要求2所述的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法，其特征是：大地坐标系下应答器的位置坐标X_A＝[x,y,z]，其中x，y值是通过卫星定位装置提供的经纬度转化而来，z值为应答器深度。

4.根据权利要求2或3所述的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法，其特征是所述根据预定探测距离规划出一条直线航迹具体包括：母船航迹中点与应答器的连线在水平面上的投影长度L为预定量测距离的1.5～4倍；超短基线系统采集到的数据包括：母船位置坐标X_M、母船姿态θ_M、水下基阵坐标系下应答器的相对位置坐标X_C。

5.根据权利要求2或3所述的用于浅水域水下定位的超短基线系统的校准方法，其特征是步骤(4)具体包括：

1)集聚度算法的基本流程：

a.为量测数据组中的每个数据元素附加上表征聚集度的变量N；

b.按时间顺序遍历计算任意两个量测数据元素的空间距离R，如果R大于事先设置的阈值Ri，则两个量测数据元素的聚集度N均加1；

c.按聚集度N值的大小，对所有量测数据元素进行降序排列，选择排名前100～200的数据元素作为下一步求解校准方程的原始数据；

2)校准方程为：

X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A＝0

其中△X_W为卫星定位装置相对于船体坐标的偏移量，△X_T为水下基阵相对于船体坐标系的偏移量，X_A为大地坐标系下应答器位置坐标，X_C为水下基阵坐标系下应答器位置坐标，R(θ_M)、R(θ)表示与θ_M、θ相关的坐标系旋转转换矩阵，θ_M表示母船的当前姿态角由姿态传感器测得，θ表示水下基阵相对于船体坐标系的安装偏角即校准所求结果；

3)遗传算法特征为：采用48位二进制数进行编码，初始种群数量50～300，适应度函数为：

f(θ)＝|X_M+ΔX_W+R(θ_M)[R(θ)X_C+ΔX_T]-X_A|

个体被选择的概率与适应度值成正比，并按照轮盘赌选择的方法选出新的种群，交叉概率为80％～95％，变异概率为2％～15％，遗传代数为500～2000代。