CN110082611A - 一种电场测量装置的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场测量装置的定位方法，包括：1、搭建具备模拟标准电偶极子、航迹记录等功能的标准电流源；2、布放电场测量装置；3、环境背景电场数据采集；4、标准源电场数据采集；5、构建电场传感器定位的状态空间模型；6、利用卡尔曼滤波方法，根据测量得到的电场信号、标准源的轨迹等测量信息，对电场传感器进行定位。本发明用于水下电场传感器定位精度可达0.2m，在电场测量装置的基础上不需添加任何设备成本低，且抗环境噪声干扰能力强，不受测量区域环境限制，可广泛应用于舰船电场测量评估、水下定位、地质勘探等领域。

Description

一种电场测量装置的定位方法

技术领域

本发明涉及位置测量技术领域，具体地指一种电场测量装置的定位方法。

背景技术

为了测量舰船电场，需要在海底或海中布放一些电场测量节点，只有准确指导测量节点的位置才能实现对舰船电场的准确评估或者跟踪定位；另一方面部分水下固定监测设备也需要准确知道其水下位置，而这些装置在布放过程中由于海流等影响可能与入水位置相差较大。如何准确、快速、方便地对水下测量装置进行定位一直是个较大的难题，传统常用的定位方法有惯导和声短基线等方法，对于惯导定位精度差，很难满足精确测量，短基线定位易受环境干扰，定位精度也有限，还需在水下电场测量装置额外加装定位装置，成本较大。

发明内容

本发明提供一种电场测量装置的定位方法，本发明利用标准信号源，结合电场模型和卡尔曼滤波估计，解决目前水下电场测量装置定位手段缺乏，传统定位方式精度不高的问题。

为实现此目的，本发明所设计的电场测量装置的定位方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水面搭建具备模拟标准电偶极子和航迹记录功能的标准电流源，所述标准电流源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹，供定位模型定位电场测量装置使用；

步骤2：将电场测量装置按预定位置布设于海水的待测电场区域内的各个电场测量节点，布设时记录各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据，电场测量装置用于测量待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据；

步骤3：利用电场测量装置采集待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据，并利用上述环境电场数据计算待测电场区域内各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵；

步骤4：标准电流源按指定航迹通过电场测量装置布设区域内各个电场测量节点区域，由标准电流源的航迹记录装置记录标准电流源的运动轨迹，同时电场测量装置采集标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据；

步骤5：构建电场测量装置定位的状态空间模型，所述状态空间模型为状态方程和观测方程，所述状态方程的状态变量为各个电场测量装置的位置坐标，观测方程包括电场计算模型和相应的观测噪声，电场计算模型为偶极子模型或者点电荷模型；

步骤6：将各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵、各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据、状态空间模型、标准电流源的运动轨迹、标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据利用卡尔曼滤波方法进行各个电场测量节点中电场测量装置的定位。

本发明所需设备为电场测量通用设备，不需要额外增加设备，利用测量标准源电场信号，结合电场和卡尔曼滤波估计，就能有效解决对水下电场传感器的定位问题，此定位方法操作简便；另外，本定位方法对水下电场传感器定位精度可达0.2m，由于本定位方法利用了卡尔曼滤波原理，完全不同于传统的基于矢量的定位方法，对运动目标定位具有明显优势，定位精度高。

本发明用于水下电场传感器定位精度可达0.2m，在电场测量装置的基础上不需添加任何设备成本低，且由标准源对测量装置定位抗环境噪声干扰能力强，不受测量区域环境限制，可广泛应用于舰船电场测量评估、水下定位、地质勘探等领域。

附图说明

图1为本发明所述定位方法中电场测量装置的布放示意图。

图2本发明所述定位方法中标准源运动轨迹和观测点位置示意图。

图3本发明所述定位方法对两电场传感器定位误差变化情况

图3中，电场测量装置1表示第一个电场测量节点的电场测量装置，电场测量装置2表示第二个电场测量节点的电场测量装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的一种电场测量装置的定位方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水面搭建具备模拟标准电偶极子和航迹记录功能的标准电流源，所述标准电流源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹，供定位模型定位电场测量装置使用；

步骤2：将电场测量装置按预定位置布设于海水的待测电场区域内的各个电场测量节点，如图1所示，布设时记录各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据(假设两测量装置布放时经纬度经WGS84地球转换成大地坐标系的坐标分别为(50,50)，(50,-50)，布放沉底后的真实位置坐标为(0,5)，(0,-5))，电场测量装置(每个电场测量装置包括6个电场传感器，采集电场的正交三分量)用于测量待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据；

步骤3：利用电场测量装置采集待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据，并利用上述环境电场数据计算待测电场区域内各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵R，单位为uV/m；

步骤4：标准电流源按指定航迹通过电场测量装置布设区域内各个电场测量节点区域，由标准电流源的航迹记录装置记录标准电流源的运动轨迹，同时电场测量装置采集标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据，标准电流源应沿两条相互正交的航道分别通过电场测量装置布设区域，每个航道至少跑一次，标准电流源输出直流信号，电场测量装置测量标准源通过时的静电场或者电位差，当海况较差标准源晃动较大或者电场测量装置存在晃动时，标准电流源应输出低频的交变电流信号，电场测量装置测得低频电场信号后进行求包络处理，以减小晃动干扰。本实施例中标准源运动轨迹，如图2所示，标准源输出电流为直流，电场测量装置测量标准源通过时的静电场；

步骤5：构建电场测量装置定位的状态空间模型，所述状态空间模型为状态方程和观测方程，所述状态方程的状态变量为各个电场测量装置的位置坐标，观测方程包括电场计算模型和相应的观测噪声，电场计算模型为偶极子模型或者点电荷模型；

步骤6：将各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵、各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据、状态空间模型、标准电流源的运动轨迹、标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据利用卡尔曼滤波方法进行各个电场测量节点中电场测量装置的定位。

上述卡尔曼滤波方法是经典卡尔曼滤波方法，或者是扩展卡尔曼滤波、渐进扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等由经典卡尔曼滤波方法衍生出来的滤波估计方法。

上述技术方案中，标准电流源包括电流源、两个发射电极、航迹记录装置和浮体，电流源主要采用恒流源，能输出交流和直流两种信号，其功能作为标准源的电流输出；两个发射电极一端连接电流源端的输出正极，一个接电流源的输出地，与电流源配合组成一个标准偶极子，标准偶极子的源强度即为电流源的输出电流I与两个发射电极的间距l的乘积；航迹记录装置主要为差分GPS，其功能是精确记录标准源实时位置的装置；浮体为标准源的载体，要求具有一定的抗浪性。本实施例中采用电流源输出电流为20A，两发射电极的间距为5m，标准电流源运动速度为2m/s。

上述技术方案中，所述状态方程的状态变量为x＝(x₁,y₁,x₂,y₂)，其中，x₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，x₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，由于电场测量装置的位置是固定的，那么其状态方程表示为：

x_k＝x_k-1

其中，k表示第k个时刻。

上述技术方案中，所述电场计算模型采用两个点电荷模型等效标准源输出，两个点电荷分别表示标准电流源的正负两极，等效标准源输出的电场三轴正交分量的计算公式为：

式中，

其中，E_x，E_y，E_z分别表示大地坐标系下电场正交三分量的x轴分量、y轴分量和z轴分量，x,y,z为电场测量装置的坐标，x_i,y_i,z_i为标准源位置坐标，I_i为第i个点电荷的电流i取值为1或2，即标准电流源的正负两极其中一极的电流，K_ix(I_i)、K_iy(I_i)、K_iz(I_i)表示第i个点电荷产生x、y、z分量电场的系数函数，r²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²，k＝(σ₁-σ₂)/(σ₁+σ₂)为海底反射系数，σ₁为海水电导率，σ₂为海床电导率，H为海水深度，h为标准电流源深度，m为采用镜像法求电场时界面的反射次数，n表示点电荷的个数；

设第一个电场测量节点的电场测量装置的姿态角分别为α₁、β₁、γ₁，第二个电场测量节点的电场测量装置的姿态角分别为α₂，β₂，γ₂，令第一个电场测量节点或第二个电场测量节点的电场测量装置测得的在其自身坐标系下的三轴正交分量分别为E'_x、E'_y、E'_z，则第一个电场测量节点或第二个电场测量节点的电场测量装置测得的电场信号转换为大地坐标系下的电场信号为：

其中，姿态变换矩阵A_i为(i＝1,2)

则观测方程可表示为：

其中，表示将第一个电场测量节点的电场测量装置在k时刻测得的电场值转换到大地坐标系后的电场值， 表示将第二个电场测量节点的电场测量装置在k时刻测得的电场值转换到大地坐标系后的电场值。

上述技术方案的步骤6中利用卡尔曼滤波方法进行各个电场测量节点中电场测量装置定位的具体方法为：

步骤6.1：初始位置设定，以各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据作为初始位置，令初始化电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵为P₀＝0.1×I_4×4，其中I_4×4表示4乘4的单位矩阵(4维的单位矩阵，因为位置坐标是四个，所以预测噪声也应该是4个)，P₀表示0时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵；

步骤6.2：按下列过程进行循环递推，得到最终时刻k的各个电场测量节点中电场测量装置的状态估计值x_k|k；

其中，x_k|k-1＝x_k-1|k-1，根据状态方程x_k＝x_k-1得到，x_k-1|k-1表示第k-1时刻的状态，x_k|k-1表示由k-1时刻对k时刻状态的预测值；

电场测量装置位置预测噪声协方差(即估计的位置和真是的位置之间的误差)p_k|k-1＝p_k-1|k-1,p_k-1|k-1表示第k-1时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差，p_k|k-1表示由k-1时刻对k时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差；

电场测量装置位置预测增益矩阵求解其中，K_k表示第k时刻的电场测量装置位置预测增益矩阵，R表示第k时刻的电场环境噪声预测协方差矩阵(观测噪声这里近似等于环境噪声)，T表示矩阵的转置，H_k表示k时刻线性化后的电场环境噪声预测协方差矩阵，即为由上述等效标准源输出的电场三轴正交分量的计算公式理论计算k时刻在第一个电场测量节点和第二个电场测量节点处电场值在x_k|k-1状态下的一阶偏导，其表达式为：

其中，E_1x、E_1y、E_1z表示在第一个电场测量节点处的电场值理论计算值，E_2x、E_2y、E_2z表示在第二个电场测量节点处的电场值理论计算值，x₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，x₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标；

对状态方程的状态估计值x_k|k进行更新得到最终的状态估计值，即为各个电场测量节点的电场测量装置的坐标，x_k|k＝x_k|k-1+K_k[y_k-[E_1x,E_1y,E_1z,E_2x,E_2y,E_2z]^T]；

并对电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵进行更新，p_k＝(I_4×4-K_kH_k)p_k|k-1。

最终位置估计得到两测量点的坐标为x＝[0.12,5.14,0.03,-4.93]，与真实值[0,5,0,-5]定位误差远小于0.2m，定位过程中的误差变化如图3所示。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种电场测量装置的定位方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：在水面搭建具备模拟标准电偶极子和航迹记录功能的标准电流源，所述标准电流源用于产生标准电场，供电场测量装置测量，并记录供电场测量装置测量过程中标准电流源的运动轨迹，供定位模型定位电场测量装置使用；

步骤2：将电场测量装置按预定位置布设于海水的待测电场区域内的各个电场测量节点，布设时记录各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据，电场测量装置用于测量待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据；

步骤3：利用电场测量装置采集待测电场区域内各个电场测量节点的环境电场数据，并利用上述环境电场数据计算待测电场区域内各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵；

步骤4：标准电流源按指定航迹通过电场测量装置布设区域内各个电场测量节点区域，由标准电流源的航迹记录装置记录标准电流源的运动轨迹，同时电场测量装置采集标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据；

步骤5：构建电场测量装置定位的状态空间模型，所述状态空间模型为状态方程和观测方程，所述状态方程的状态变量为各个电场测量装置的位置坐标，观测方程包括电场计算模型和相应的观测噪声，电场计算模型为偶极子模型或者点电荷模型；

步骤6：将各个电场测量节点对应的电场环境噪声预测协方差矩阵、各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据、状态空间模型、标准电流源的运动轨迹、标准电流源通过各个电场测量节点区域时的电场数据和电场测量装置的姿态数据利用卡尔曼滤波方法进行各个电场测量节点中电场测量装置的定位。

2.根据权利要求1所述的电场测量装置的定位方法，其特征在于：所述状态方程的状态变量为x＝(x₁,y₁,x₂,y₂)，其中，x₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，x₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，由于电场测量装置的位置是固定的，那么其状态方程表示为：

x_k＝x_k-1

其中，k表示第k个时刻。

3.根据权利要求2所述的电场测量装置的定位方法，其特征在于：所述电场计算模型采用两个点电荷模型等效标准源输出，两个点电荷分别表示标准电流源的正负两极，等效标准源输出的电场三轴正交分量的计算公式为：

式中，

其中，E_x，E_y，E_z分别表示大地坐标系下电场正交三分量的x轴分量、y轴分量和z轴分量，x,y,z为电场测量装置的坐标，x_i,y_i,z_i为标准源位置坐标，I_i为第i个点电荷的电流i取值为1或2，即标准电流源的正负两极其中一极的电流，K_ix(I_i)、K_iy(I_i)、K_iz(I_i)表示第i个点电荷产生x、y、z分量电场的系数函数，r²＝(x-x_i)²+(y-y_i)²，k＝(σ₁-σ₂)/(σ₁+σ₂)为海底反射系数，σ₁为海水电导率，σ₂为海床电导率，H为海水深度，h为标准电流源深度，m为采用镜像法求电场时界面的反射次数，n表示点电荷的个数；

设第一个电场测量节点的电场测量装置的姿态角分别为α₁、β₁、γ₁，第二个电场测量节点的电场测量装置的姿态角分别为α₂，β₂，γ₂，令第一个电场测量节点或第二个电场测量节点的电场测量装置测得的在其自身坐标系下的三轴正交分量分别为E'_x、E'_y、E'_z，则第一个电场测量节点或第二个电场测量节点的电场测量装置测得的电场信号转换为大地坐标系下的电场信号为：

其中，姿态变换矩阵A_i为(i＝1,2)

则观测方程可表示为：

其中，表示将第一个电场测量节点的电场测量装置在k时刻测得的电场值转换到大地坐标系后的电场值， 表示将第二个电场测量节点的电场测量装置在k时刻测得的电场值转换到大地坐标系后的电场值。

4.根据权利要求1所述的电场测量装置的定位方法，其特征在于：所述步骤6中利用卡尔曼滤波方法进行各个电场测量节点中电场测量装置定位的具体方法为：

步骤6.1：初始位置设定，以各个电场测量节点中电场测量装置布设位置的初始经纬度数据作为初始位置，令初始化电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵为P₀＝0.1×I_4×4，其中I_4×4表示4乘4的单位矩阵，P₀表示0时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵；

步骤6.2：按下列过程进行循环递推，得到最终时刻k的各个电场测量节点中电场测量装置的状态估计值x_k|k；

其中，x_k|k-1＝x_k-1|k-1，根据状态方程x_k＝x_k-1得到，x_k-1|k-1表示第k-1时刻的状态，x_k|k-1表示由k-1时刻对k时刻状态的预测值；

电场测量装置位置预测噪声协方差p_k|k-1＝p_k-1|k-1,p_k-1|k-1表示第k-1时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差，p_k|k-1表示由k-1时刻对k时刻的电场测量装置位置预测噪声协方差；

电场测量装置位置预测增益矩阵求解其中，K_k表示第k时刻的电场测量装置位置预测增益矩阵，R表示第k时刻的电场环境噪声预测协方差矩阵，T表示矩阵的转置，H_k表示k时刻线性化后的电场环境噪声预测协方差矩阵，即为由上述等效标准源输出的电场三轴正交分量的计算公式理论计算k时刻在第一个电场测量节点和第二个电场测量节点处电场值在x_k|k-1状态下的一阶偏导，其表达式为：

其中，E_1x、E_1y、E_1z表示在第一个电场测量节点处的电场值理论计算值，E_2x、E_2y、E_2z表示在第二个电场测量节点处的电场值理论计算值，x₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₁为第一个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标，x₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的x轴坐标，y₂为第二个电场测量节点的电场测量装置的y轴坐标；

对状态方程的状态估计值x_k|k进行更新得到最终的状态估计值，即为各个电场测量节点的电场测量装置的坐标，x_k|k＝x_k|k-1+K_k[y_k-[E_1x,E_1y,E_1z,E_2x,E_2y,E_2z]^T]；

并对电场测量装置位置预测噪声协方差矩阵进行更新，p_k＝(I_4×4-K_kH_k)p_k|k-1。