CN109116360B - 一种深海实时高精度定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深海实时高精度定位方法及系统。本发明基于射线理论模型，以方位角、传播时延、深海运载器深度和水面监控平台声学换能器深度分别为本征声线出射角、本征声线传播时间、本征声线出射深度和本征声线终点深度，快速计算出连接水面监控平台和深海运载器的本征声线，进而准确解算出深海运载器相对于水面监控平台的位置，并通过水面监控平台的经纬度转换为深海运载器的绝对位置信息，实现实时高精度定位。

Description

一种深海实时高精度定位方法及系统
技术领域
本发明涉及深海测量领域，特别是涉及一种深海实时高精度定位方法及系统。
背景技术
目前，深海声学定位系统主要由安装在科考船上的超短基线(长基线使用较少)和安装在深海运载器上的应答信标组成。其定位流程是科考船对深海运载器定位，然后水声通信将定位结果发送给深海运载器。这种定位系统和定位模式主要由两个弊端：空间基准不统一和深海运载器获取自身位置信息更新率低/延时大。
在实际应用中，水面监控平台(如科考船、无人船、浮标等)主要用于监控深海运载器的位置和状态，并不需要很高的状态数据更新率，可以每隔15分钟，甚至更长时间，获取一次位置信息；与之相反，深海运载器水下作业时更需要实时获取自身位置信息，而且更新率尽可能高(如1秒)。因此亟需一种深海实时高精度定位方法及系统来解决这一技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海实时高精度定位方法及系统，能够提高深海定位的实时性和精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海实时高精度定位方法，所述方法应用于深海实时高精度定位装置，所述装置分别安装在水面监控平台和深海运载器上，所述定位方法包括：
获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息；
将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；
通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
获取所述深海运载器的深度信息；
根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
可选的，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息。
可选的，所述根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向。
可选的，所述根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角，具体包括：
根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
可选的，所述根据所述传播时延和所述方位角确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种深海实时高精度定位系统，所述定位系统包括：
第一获取模块，用于获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息；
水声通信模块，用于将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；
第二获取模块，用于通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第三获取模块，用于获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块，用于根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
方位角初步确定模块，用于根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
方位角精确确定模块，用于根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
第四获取模块，用于获取所述深海运载器的深度信息；
相对位置信息确定模块，用于根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
绝对位置信息确定模块，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
可选的，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息。
可选的，所述方位角初步确定模块，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向。
可选的，所述方位角精确确定模块，具体包括：
方位角精确确定单元，用于根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
可选的，所述相对位置信息确定模块，具体包括：
第一映射单元，采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
第二映射单元，用于将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
重构单元，根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
解算单元，对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种深海实时高精度定位方法，基于射线理论模型，以方位角、传播时延、深海运载器深度和水面监控平台声学换能器深度分别为本征声线出射角、本征声线传播时间、本征声线出射深度和本征声线终点深度，快速计算出连接水面监控平台和深海运载器的本征声线，进而准确解算出深海运载器相对于水面监控平台的位置，并通过水面监控平台的经纬度转换为深海运载器的绝对位置信息，实现实时高精度定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例深海实时高精度定位装置示意图；
图2为本发明实施例耐高压换能器阵列设计及其惯导集成示意图；
图3为本发明实施例深海实时高精度定位方法流程图；
图4为本发明实施例深海实时高精度定位系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例深海实时高精度定位装置示意图。如图1所示，深海实时高精度定位装置，所述装置包括水面监控平台部分和深海运载器部分，其中水面监控平台部分主要由卫星定位模块、声学换能器模块、通信信号处理模块、原子钟、表层声速计等组成，主要用于将接收卫星定位信号，并将自身位置和时间信息以数字水声通信的形式下发给深海运载器。深海运载器部分主要由声学换能器阵列、姿态传感器、原子钟、信号处理模块、声速计、深度计等组成。其中声学换能器阵和姿态传感器集成为一体化固件，并在实验室完成校准，避免海上现场校准。信号处理模块主要包括数字水声通信信号处理单元和定位信号处理单元组成。
将通信/定位声学换能器阵列安装在深海运载器上，综合考量换能器阵安装尺寸、重量、通信速率、定位精度、作用距离，以及深海运载器螺旋桨噪声、液压系统噪声等因素，应用声纳方程对各参数进行综合平衡，反复计算，再辅以已有设备的使用情况，选取合理的工作频率，设计满足通信/定位需求的耐高压换能器阵列(主要包括工作频率、阵元数和阵型)；改变传统超短基线换能器阵与姿态传感器分离式安装模式，将惯导系统(能提供高精度姿态信息)集成到耐压舱内，与前面设计的耐高压换能器阵列深度集成为一体化固件，并在实验室完成安装位置偏差校正，避免使用过程中频繁的海上标定。图2为本发明实施例耐高压换能器阵列设计及其惯导集成示意图。
图3为本发明实施例深海实时高精度定位方法流程图。如图3所示，一种深海实时高精度定位方法，所述方法应用于深海实时高精度定位装置，所述定位方法包括：
步骤101：获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息；
步骤102：将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；所述水面监控平台将携带所述自身经纬度信息、时间信息和指令等一起打包，通过水声通信系统，以高更新率下发至深海运载器，如1秒1次；其中数字通信信号的包头作为定位脉冲。
步骤103：通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
步骤104：获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
步骤105：根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
步骤106：根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
步骤107：根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
步骤108：获取所述深海运载器的深度信息；
步骤109：根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
步骤110：根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
步骤106，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向，抑制所述深海运载器自身的噪声，提高接收信号的输出信噪比。
步骤107，具体包括：
根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
步骤109，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
所述深海运载器下潜过程中利用自身携带的声速计测量整个声速剖面；为补偿表面声速受日照、风浪等的影响，所述水面监控平台每隔一段时间，如1小时，测量海水表面200米以内的声速剖面，并通过数字水声通信的方式下发给所述深海运载器，所述深海运载器将下潜时测量的声速剖面和新收到的表面声速剖面进行融合，得到新的声速剖面，用于本征声线解算。
本发明通过将声学换能器阵与姿态传感器集成为一体化固件，在实验室完成校准，避免繁重的现场校准；将声学定位系统安装在深海运载器上，实现对自身位置的实时、高更新率定位；本发明的方法通过采用声信号由水面监控平台向深海运载器单向传送的定位模式，减少深海运载器发声频次，降低系统功耗；通过深海运载器和水面监控平台已知航迹等先验信息，预设声学换能器阵列波束指向，提高接收信号的输出信噪比，并利用相干信号子空间处理方法获取高精度角度估计；基于射线理论声传播模型，结合方位角、传播时延、深海运载器深度和水面监控平台声学换能器深度实现深海运载器位置的精确估计，实现深海运载器对自身位置的实时、高更新率、低功耗、高精度定位。
图4为本发明实施例深海实时高精度定位系统结构图。如图4所示，一种深海实时高精度定位系统，所述定位系统包括：
第一获取模块201，用于获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息；
水声通信模块202，用于将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；
第二获取模块203，用于通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第三获取模块204，用于获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块205，用于根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
方位角初步确定模块206，用于根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
方位角精确确定模块207，用于根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
第四获取模块208，用于获取所述深海运载器的深度信息；
相对位置信息确定模块209，用于根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；
绝对位置信息确定模块210，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
所述方位角初步确定模块206，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向，抑制所述深海运载器自身的噪声，提高接收信号的输出信噪比。
所述方位角精确确定模块207，具体包括：
方位角精确确定单元，用于根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
相对位置信息确定模块209，具体包括：
第一映射单元，采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
第二映射单元，用于将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
重构单元，根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
解算单元，对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置。
所述深海运载器下潜过程中利用自身携带的声速计测量整个声速剖面；为补偿表面声速受日照、风浪等的影响，所述水面监控平台每隔一段时间，如1小时，测量海水表面200米以内的声速剖面，并通过数字水声通信的方式下发给所述深海运载器，所述深海运载器将下潜时测量的声速剖面和新收到的表面声速剖面进行融合，得到新的声速剖面，用于本征声线解算。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种深海实时高精度定位方法，其特征在于，所述方法应用于深海实时高精度定位装置，所述装置分别安装在水面监控平台和深海运载器上，所述定位方法包括：
获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息；
将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；
通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
获取所述深海运载器的深度信息；
根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息，具体包括：
采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置；
根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
2.根据权利要求1所述的深海实时高精度定位方法，其特征在于，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息。
3.根据权利要求1所述的深海实时高精度定位方法，其特征在于，所述根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向。
4.根据权利要求1所述的深海实时高精度定位方法，其特征在于，所述根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角，具体包括：
根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
5.一种深海实时高精度定位系统，其特征在于，所述定位系统包括：
第一获取模块，用于获取水面监控平台的经纬度和时间信息；
水声通信模块，用于将所述水面监控平台的自身经纬度和时间信息以水声通信的方式下发至所述深海运载器；
第二获取模块，用于通过所述深海运载器解码通信信息，获取所述水面监控平台发射通信信息时的经纬度和时间；
第三获取模块，用于获取所述深海运载器接收到通信信息的时间；
传播时延确定模块，用于根据所述水面监控平台发射通信信息的时间和所述深海运载器接收到通信信息的时间，得到传播时延；
方位角初步确定模块，用于根据前面一段时间内的所述深海运载器航迹和所述水面监控平台航迹，初步估计所述水面监控平台相对于所述深海运载器的方位角；
方位角精确确定模块，用于根据深海运载器接收到的通信信号和所述方位角，确定所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角；
第四获取模块，用于获取所述深海运载器的深度信息；
相对位置信息确定模块，用于根据所述传播时延、所述精确方位角和所述深度信息确定所述深海运载器相对所述水面监控平台的相对位置信息；所述相对位置信息确定模块，具体包括：
第一映射单元，采用射线理论模型将所述方位角和所述传播时延分别作为本征声线的出射角和本征声线的传播时间；
第二映射单元，用于将所述深海运载器上的高精度深度计测得的深度信息和所述水面监控平台声学换能器深度分别作为所述本征声线的出射深度和终点深度；
重构单元，根据所述本征声线的出射角、所述本征声线的传播时间、所述本征声线的出射深度和所述本征声线的终点深度重构本征声线；
解算单元，对所述本征声线进行解算，得到所述深海运载器相对所述水面监控平台的位置；
绝对位置信息确定模块，用于根据所述相对位置信息和所述水面监控平台经纬度信息计算所述深海运载器的绝对位置信息。
6.根据权利要求5所述的深海实时高精度定位系统，其特征在于，通过卫星定位的方式实时获取所述水面监控平台的经纬度和时间信息。
7.根据权利要求5所述的深海实时高精度定位系统，其特征在于，所述方位角初步确定模块，具体包括：
通过深海运载器的自身航迹先验信息和所述水面监控平台已知航迹先验信息，初步估计两者之间的相对方位角；
根据所述相对方位角预设所述深海运载器上的声学定位系统换能器阵列的波束指向，使其指向所述水面监控平台方向。
8.根据权利要求5所述的深海实时高精度定位系统，其特征在于，所述方位角精确确定模块，具体包括：
方位角精确确定单元，用于根据深海运载器接收到的通信信号，对所述方位角采用窄带子空间处理方法，得到所述水面监控平台相对于所述深海运载器的精确方位角。
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