CN109975760A - 基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置 - Google Patents

基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置，适用于多个接收阵元基阵的安装误差角校正，也适用于各类雷达天线基阵安装误差校正。本发明采用高精度水下定位的方法对水下目标应答器进行高精度定位，得到目标应答器在参考坐标系下的参考真值把载有收发器的母船在1‑2倍应答器深度的半径范围内环绕水下应答器缓慢航行，在航行过程中水下应答器进行USBL解算同时记录USBL载体在参考坐标系下的坐标值通过3个点构建2个共点的矢量，通过对构建矢量进行相关性判断，达到对USBL收发基阵安装误差估计精度的控制。本发明能够快速有效提高收发基阵与安装基座之间的安装误差角的估计精度，从而提高阵列定位系统的定位精度。

Description

基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置
技术领域
本发明涉及涉及高精度定位领域，具体涉及一种接收基阵安装误差角校正方法，特别适用于水下超短基线接收基阵、多接收元雷达天线基阵、多接收阵元声学基阵的安装误差角校正。
背景技术
声波是目前被证明最适合在水下长距离传播的信息载体。据此产生了用水声设备确定水下载体或设备的方位、距离的水下声学定位技术，其中超短基线定位(Ultra ShortBaseline Positioning，USBL)系统由于其便携、操作方便、成本较低等优点而得到广泛应用。USBL只需要一个应答器(Transponder)和收发合置声纳系统就可以测出彼此相对位置，与其它基线相比其基阵尺寸小，具有使用方便灵活等特点，广泛应用于水下载体的导航与定位。
声学定位系统中的声学基阵安装误差、定位雷达天线阵的安装误差是定位系统的主要误差源，在实际使用前必需进行精确校准。现有的水下声学定位系统的安装误差海上标定需要载体执行一系列复杂的航行轨迹，而载体受风、海波浪、载体自动机动等干扰的影响下载体无法严格执行预期的航行轨迹。因此一种高效便携的基阵安装误差校准是声学、雷达等定位基阵面高精度定位的关键。
现有技术中有关于多阵元定位系统的基座面的安装误差的估计方法，但是主要存在以下问题：在安装误差的估计精度上没有进行有效的精度控制，或者在校正过程中需要使用量测值而引入新的量测误差导致估计精度下降，或者是对载体的移动轨迹有苛刻的要求，这些技术缺陷导致现有安装误差标定方法离高效便捷、高精度定位的目标尚有距离。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置，将以雷达天线基阵、水中兵器、水下作战平台及各类民用阵列基座面的高精度定位需求背景，旨在提高收发基阵与安装基座之间的安装误差角的估计精度，以提高阵列定位系统的定位精度。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，适用于由单个发射阵元与多个接收阵元组成的USBL收发基阵安装误差角的校正，所述方法包括以下步骤：
(1)对水下应答器进行定位，得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
(2)通过声头位置解算得到USBL发射声头的声学中心在参考坐标系下的位置序列
(3)对水下应答器的位置进行USBL定位解算，得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置序列
(4)由步骤1-3得到的三个值构造两个矢量序列： 其中，为从参考坐标系到载体坐标系的变换矩阵；
(5)根据水下应答器在参考坐坐系下的坐标计算关系式，分别对USBL航向、纵向、横向三个方向的安装误差角αi,βi,γi进行估计；
(6)利用安装误差角估计值构造方向余弦矩阵，对USBL解算值及所构造的矢量进行修正；
(7)对重构的矢量及修正后的矢量计算相关性，当相关性满足预设阈值时，输出最终安装误差角估计值，否则返回步骤2进入下一轮估计。
根据本发明的第二方面，提供一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定装置，适用于由单个发射阵元与多个接收阵元组成的USBL收发基阵安装误差角的校正，所述装置包括：
应答器高精度定位解算模块，对水下应答器进行定位，得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
声头定位解算模块，通过声头位置解算得到USBL发射声头的声学中心在参考坐标系下的位置序列
USBL应答器解算模块，对水下应答器的位置进行USBL定位解算，得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置序列
双矢量构造模块，用于根据上述三个模块得到的三个值构造两个矢量序列：其中，为从参考坐标系到载体坐标系的变换矩阵；
安装误差估计模块，根据水下应答器在参考坐坐系下的坐标计算关系式，分别对USBL航向、纵向、横向三个方向的安装误差角αi,βi,γi进行估计；
观测量修正模块，利用安装误差角估计值构造方向余弦矩阵，对USBL解算值及所构造的矢量进行修正；
估计精度控制模块，对重构的矢量及修正后的矢量计算相关性，当相关性满足预设阈值时，输出最终安装误差角估计值。
有益效果：
1、本发明引入双矢量的相关性判断的方法对估计精度进行控制，通过在定位基阵安装误差角的标定过程中，建立了以USBL发射声头为共同端，另一端分别为应答器的高精度定位值、USBL解算值的双矢量，为USBL安装误差角的估计精度控制提供了可靠的依据，为一次估计和效果评价提供了有效的手段。
2、本发明在迭代求解安装误差角的过程中，与现有技术比不需要对半径值r进行测量，也不需要测量深度值h，有效避免了量测误差对安装误差估计精度的影响；并且在每次迭代校正的过程中，将上一次的估计值对本次USBL解算值进行修正，加快了估计的收敛速度，实现了USBL安装误差的快速估计。
3、本发明对载体的航行轨迹没有严格的要求，载体在应答器内1-2倍深度为半径的范围内沿任意轨迹航行都可以，极大提高了校正试验的可行性。
附图说明
图1为USBL安装误差角及坐标示意图；
图2为USBL收发基阵安装误差角估计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。
图1示出了根据本发明实施例的USBL安装误差角及坐标示意，本发明涉到两个坐标系，第一个是载体坐标系Ob-xbybzb，其中x轴正方向指向右，y轴正方向指向艏部，z轴正方向指上方。声学基阵坐标系Ou-xuyuzu，其中x轴正方向指1号阵元，y轴正方向指向3号阵元，z轴正方向指上方。本发明所提到的安装误差角是指载体坐标系与声学基阵坐标系之间的角度偏差。
本发明首先将水下应答器固定在海床上，采用高精度水下定位的方法对水下目标应答器进行高精度定位，得到目标应答器在参考坐标系下的参考真值把载有收发器的载体在2倍应答器深度的半径范围内环绕水下应答器缓慢航行。在航行过程中USBL定位系统对水下应答器进行USBL解算同时记录USBL载体在参考坐标系下的坐标值通过3个点构建2个共点的矢量 通过对构建矢量相关性的判断，达到对USBL收发基阵安装误差估计精度的控制。
参照图2，上述过程中所提到的方法采用以下方式进行：
(1)应答器高精度定位解算模块利用高精度方法对水下应答器进行高精度定位,可以采用高精度迭代最小二乘的长基线定位方法得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
(2)载有USBL、姿态传感器、GNSS高精度接收机的载体在水声信号的有效范围内环绕水下应答器缓慢行，在航行的过程中记下高精度GNSS接收机的位置通过测量GNSS天线与USBL发射声头的空间偏移量可以直接换算得到声学中心在参考坐标系下的位置序列
(3)载有设备的载体在环绕航行的过程中记录GNSS接收机的位置的同时，USBL系统对水下应答器的位置进行USBL定位解算，得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置序列
(4)安装误差估计模块的一步估计过程是按航向、纵向、横向的次序分别对三个方向的安装误差角进行一步估计得到αi,βi,γi值，具体过程如下：
4.1)先对αi求解
式(1)为水下应答器在参考坐坐系下的坐标计算关系式，式中的αi,βi,γi分别为USBL航向，纵向，横向安装误差角，分别为三个方向误差角的旋转矩阵，为USBL对应答器的第i次解算值，为载体系到参考坐标系的变换矩阵，为水下应答器在参考坐坐系下的坐标值。第1次解算αi时将βi，γi置为0，第i次(i＞1)求解时，βi＝βi-1，γi＝γi-1即使用上一次的解算值。αi为满足式(1)的最优解。
4.2)然后对βi求解
方程如式(1)所示，第1次解算βi时将αi置为本次解算值，γi置为0，第i次(i＞1)求解时，αi＝αi-1，γi＝γi-1即使用上一次的解算值。βi为满足式(1)的最优解。
4.3)最后对γi求解
方程如式(1)所示，解算γi时将αi，βi置为本次解算值，γi为满足式(1)的最优解。
(5)USBL观测量修正模块是通过αi,βi,γi解算得到USBL收发基阵的基座面与姿态传感器的载体基座面之间的方向余弦矩阵解算方法为现有技术中关于欧拉角转姿态矩阵的求解，此处不加以赘述；再利用该余弦矩阵对USBL解算值及所构造的矢量进行修正，具体为：
(6)估计精度控制模块采用对重构的矢量及修正后的矢量之间的矢量相关性来进行判断。具体为：
εth的大小由试验现场条件设置，如果Δ小于设定的阀值εth，安装误差的估计精度达到要求，输出最终安装误差角估计值，否则进入下一次估计。并将本次的估计值保存到上次值中，即αi-1＝αi,βi-1＝βi,γi-1＝γi。
本发明提供了一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法和装置，可用于陆用、水下声学基阵的安装误差校正，也适用于各类雷达天线的安装误差校正，例如在军事上为了武器系统在打击前能准确估计目标信号的准确位置，必须对火控雷达天线基阵面的安装误差进行精确校正的场景。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上应用范围及细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对水下应答器进行定位，得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
(2)通过声头位置解算得到USBL发射声头的声学中心在参考坐标系下的位置序列
(3)对水下应答器的位置进行USBL定位解算，得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置序列
(4)由步骤1-3得到的三个值构造两个矢量序列： 其中，为从参考坐标系到载体坐标系的变换矩阵；
(5)根据水下应答器在参考坐坐系下的坐标计算关系式，分别对USBL航向、纵向、横向三个方向的安装误差角αi,βi,γi进行估计；
(6)利用安装误差角估计值构造方向余弦矩阵，对USBL解算值及所构造的矢量进行修正；
(7)对重构的矢量及修正后的矢量计算相关性，当相关性满足预设阈值时，输出最终安装误差角估计值，否则返回步骤2进入下一轮估计。
2.根据权利要求1所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，所述步骤1中采用高精度迭代最小二乘的长基线定位方法得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
3.根据权利要求1所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：载有USBL、姿态传感器、GNSS高精度接收机的载体在水声信号的有效范围内环绕水下应答器航行，在航行的过程中记下高精度GNSS接收机的位置通过测量GNSS天线与USBL发射声头的空间偏移量换算得到声学中心在参考坐标系下的位置序列
4.根据权利要求1所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，所述步骤5中安装误差角的估计过程如下：
(4-1)建立水下应答器在参考坐坐系下的坐标关系式：
式(1)中的αi,βi,γi分别为USBL航向、纵向、横向安装误差角， 分别为三个方向误差角的旋转矩阵，上标T表示矩阵的转置，为USBL对应答器的第i次解算值，为载体系到参考坐标系的变换矩阵，为水下应答器在参考坐坐系下的坐标值；
(4-2)依次解算αi,βi,γi：
第1次解算αi时将βi，γi置为0，后续求解时使用上一次的解算值，即βi＝βi-1，γi＝γi-1，(i＞1)，αi为满足式(1)的最优解；
第1次解算βi时将αi置为本次解算值，γi置为0，第i次(i＞1)求解时，ai＝ai-1，γi＝γi-1即使用上一次的解算值，βi为满足式(1)的最优解；
解算γi时将αi，βi置为本次解算值，γi为满足式(1)的最优解。
5.根据权利要求1所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，所述步骤6中修正方法如下：
根据步骤5估计的αi,βi,γi解算得到USBL收发基阵的基座面与姿态传感器的载体基座面之间的方向余弦矩阵再利用该余弦矩阵对USBL解算值及所构造的矢量进行修正，具体为
6.根据权利要求1所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定方法，其特征在于，所述步骤7中相关性计算公式如下：
式中εth为预设的相关度阀值。
7.一种基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定装置，其特征在于，所述装置包括：
应答器高精度定位解算模块，对水下应答器进行定位，得到水下应答器在参考坐标系下的坐标值
声头定位解算模块，通过声头位置解算得到USBL发射声头的声学中心在参考坐标系下的位置序列
USBL应答器解算模块，对水下应答器的位置进行USBL定位解算，得到应答器在USBL基阵坐标系下的位置序列
双矢量构造模块，用于根据上述三个模块得到的三个值构造两个矢量序列：其中，为从参考坐标系到载体坐标系的变换矩阵；
安装误差估计模块，根据水下应答器在参考坐坐系下的坐标计算关系式，分别对USBL航向、纵向、横向三个方向的安装误差角αi,βi,γi进行估计；
观测量修正模块，利用安装误差角估计值构造方向余弦矩阵，对USBL解算值及所构造的矢量进行修正；
估计精度控制模块，对重构的矢量及修正后的矢量计算相关性计算相关性，当相关性满足预设阈值时，输出最终安装误差角估计值。
8.根据权利要求7所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定装置，其特征在于，所述安装误差估计模块根据下式依次解算αi,βi,γi：
式中αi,βi,γi分别为USBL航向、纵向、横向安装误差角，分别为三个方向误差角的旋转矩阵，上标T表示矩阵的转置，为USBL对应答器的第i次解算值，为载体系到参考坐标系的变换矩阵，为水下应答器在参考坐坐系下的坐标值；
第1次解算αi时将βi，γi置为0，后续求解时使用上一次的解算值，αi为满足式(1)的最优解；
第1次解算βi时将αi置为本次解算值，γi置为0，第i次(i＞1)求解时，ai＝ai-1，γi＝γi-1即使用上一次的解算值，βi为满足式(1)的最优解；
解算γi时将αi，βi置为本次解算值，γi为满足式(1)的最优解。
9.根据权利要求7所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定装置，其特征在于，所述观测量修正模块根据下式进行修正：
式中为根据αi,βi,γi解算得到USBL收发基阵的基座面与姿态传感器的载体基座面之间的方向余弦矩阵。
10.根据权利要求7所述的基于双矢量重构的基阵安装误差角高精度标定装置，其特征在于，所述估计精度控制模块根据下式计算两个矢量的相关性：
式中εth为预设的相关度阀值。
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