CN110275139A - 一种基于旋转式基元复用的超短基线定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转式基元复用的超短基线(Ultra‑short baseline，USBL)定位系统及方法，特别适用于被动式合作目标多接收基元的USBL定位解算，也适用于多阵元的雷达目标解算。本发明采用深度信息与相位差比的方法对水下目标进行定位解算，该方法无需对声源与目标应答器进行测距，可消除长距离测距误差对USBL定位的影响。该方法免去了对接收基阵的各基元间距误差的校正工作，可以完全消去基元间距误差Δd、水声信号波长误差Δλ对USBL定位精度的影响。该定位方法适用于目标深度已知的情况，在远距离情况下具有精度高的特点。

Description

一种基于旋转式基元复用的超短基线定位系统及方法
技术领域
本发明涉及高精度水下定位领域，具体涉及一种基于信标深度已知的水下被动定位系统及定位方法，特别适用于水下合作目标的高精度定位。
背景技术
超短基线(Ultra short baseline,USBL)定位系统由于其尺寸小、使用便捷的特点被广泛应用于水下定位系统中。但传统USBL水下定位系统的定位是基于距离和方位角信息进行定位解算的，其定位精度依赖于水下测距精度，随着长距离测距误差的增大，其定位误差也不断增大，这种方法不适用于水下远距离的定位作业。基元的间距是影响传统USBL定位系统的重要误差源之一，传统的多基元的USBL基阵定位系统在定位前必须对各基元的间距进行精确标定，标定过程复杂，且难以消除实际间距误差，导致定位精度的不足。
发明内容
发明目的：针对现有技术的问题，本发明以水下已知深度的合作目标高精度需求为背景提出一种基于深度信息旋转式基元复用的USBL定位系统及解算方法，旨在消除水声信号波长、基元间距误等误差对超短基线定位精度的影响，提高超短基线水下定位精度。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于旋转式基元复用的USBL定位系统，所述系统包括水下信标模块、USBL接收基阵模块、USBL定位解算模块，其中，所述水下信标模块用于向USBL接收基阵模块发出水声信号，水下信标装载在被定位目标上；所述USBL接收基阵模块包括第一基元E1、第二基元E2，用于接收来自目标信标发出的水声信号，并完成相位差的测定；所述USBL定位解算模块用于根据相位差及基阵与信标之间的垂直方向深度间距进行USBL定位解算；所述的USBL接收基阵模块、水下信标模块都安装有深度计。
根据本发明的第二方面，提供一种基于旋转式基元复用的USBL定位方法，所述方法包括以下步骤：
(1)水下信标将自身的深度值hb通过水声通信发送给USBL接收基阵模块，USBL定位解算模块记录下深度值hb，USBL接收基阵模块上的深度计测出基阵USBL坐标原点的深度值ha，基阵与信标之间的垂直方向深度间距为h＝hb-ha；
(2)将第一基元E1、第二基元E2分别置于USBL坐标系的x轴的正、负半轴上，测量E1、E2之间的相位差
(3)USBL接收基阵绕y轴在XOZ平面内顺时针旋转90度，分别将第一基元E1、第二基元E2旋转到第三基元E3和第四基元E4的位置，对基元E3、E4进行相位差测量；
(4)USBL定位解算模块根据深度间距值h，x轴上E1、E2两基元的相位差以及z轴上E3、E4两基元的相位差对水下目标进行x方向上的USBL定位解算；
(5)USBL接收基阵绕x轴在YOZ平面内顺时针旋转90度，分别将第三基元E3、第四基元E4旋转到第五基元E5、第六基元E6的位置，对基元E5、E6进行相位差测量；
(6)USBL定位解算模块根据深度间距值h，y轴上两基元的相位差以及z轴上两基元的相位差进行y方向上的USBL定位解算；
(7)USBL定位解算模块根据深度间距值h进行z方向上的USBL定位解算。
有益效果：
1、本发明提出一种基于旋转式基元复用的USBL定位解算方法，由于两基元之间是刚性连接，旋转复用的过程中不会改变刚性连接特性，因此在USBL坐标系里无论是x，y，z中的哪一个轴上，其基元的间距相等，即d1,2＝d3,4＝d5,6＝d+δ1,2(其中d为两基元间距真值，δ1,2为两基元间距误差)，在基于深度信息的解算模型中，该间距及间距误差完全抵消了，完全消除了间距误差对定位精度的影响。
2、本发明提出的定位方法和传统基于距离和方位角的方法相比，消除了水声信号波长误差对定位精度的影响。
3、本发明无需对信标和USBL基阵之间进行测距，取而代之的是对信标进行深度测量，在长距离的情况下，测深误差比测距误差要小很多，从而提高了定位精度。
附图说明
图1为基于旋转式基元复用的USBL结构示意图；
图2为基于旋转式基元复用的USBL定位解算流程图。
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。
基于旋转式基元复用的USBL定位系统包括水下信标模块、USBL接收基阵模块、USBL定位解算模块，水下信标模块用于向USBL接收基阵模块发出水声信号，水下信标装载在被定位目标上；USBL接收基阵模块包括第一基元E1、第二基元E2，用于接收来自目标信标发出的水声信号，并完成相位差的测定；USBL定位解算模块用于根据相位差及基阵与信标之间的垂直方向深度间距进行USBL定位解算；其中USBL接收基阵模块、水下信标模块都安装有深度计。
图1示出了根据本发明实施例的旋转式基元复用的USBL坐标示意，本发明涉及到USBL声学坐标系，声学基阵坐标系Ou-xuyuzu，1、2号基元放置在x轴上，x轴正方向指向1号基元，y轴正方向指向x轴正向沿水平面顺时针旋转90度方向，1、2号基元间采用刚性连接杆连接，z轴正方向指下方。1、2号基元所在的x轴上装有高精度(旋转精度不低于0.001度)旋转装置，可以实现绕x，y，z高精度旋转。图1示出的顺序是先绕y轴在XOZ平面内顺时针旋转90度，将x轴上的两基元旋转至z轴上的3、4号基元所在的位置，然后再绕x轴在YOZ平面内顺时针旋转90度，将z轴上的基元旋转至y轴上的5、6号基元所在的位置，在这个过程中可依次完成三个相位差 的精确测量。最后绕z轴在XOY平面内顺时针旋转90度，将y轴上的基元旋转至x轴上的1、2号基元所在的位置，准备下一次的测量。
由于两基元之间是刚性连接，旋转复用的过程中不会改变刚性连接特性，因此在USBL坐标系里无论是x，y，z中的哪一个轴上，其基元的间距相等，即d1,2＝d3,4＝d5,6＝d+δ1,2(其中d为两基元间距真值，δ1,2为两基元间距误差)，在基于深度信息的解算模型中，如下式所示，该间距及间距误差完全抵消了，完全消除了间距误差对定位精度的影响。
参照图2，上述过程中所提到的方法采用以下步骤进行的：
(1)水下信标将自身的深度值hb通地水声通信发送给USBL基阵，USBL解算模块记录下深度值hb，USBL上的测深仪测出基阵USBL坐标原点的深度值ha，基阵与信标之间的垂直方向深度间距为h＝hb-ha。
(2)将基元E1、E2分别置于USBL坐标系的x轴的正、负半轴上。对基元E1、E2进行相位差测量。
(3)USBL接收基阵绕y轴旋转90度，将基元E1、E2旋转到虚拟基元E3、E4的位置。对基元E3、E4进行相位差测量。
(4)USBL定位解算模块根据深度间距值h，x轴上两基元的相位差以及z轴上两基元的相位差进行x方向上的USBL定位解算,
(5)USBL接收基阵绕x轴旋转90度，将基元E3、E4旋转到虚拟基元E5、E6的位置。对基元E5、E6进行相位差测量。
(6)USBL接收基阵绕z轴旋转90度，将基元E5、E6旋转到虚拟基元E1、E2的位置。准备下一轮相位差的测量。
(7)USBL定位解算模块根据深度间距值h，y轴上两基元的相位差以及z轴上两基元的相位差进行y方向上的USBL定位解算,
(8)USBL定位解算模块根据深度间距值h进行z方向上的USBL定位解算,z＝-h。
(9)如果定位任务还没有结束，跳至步骤1继续下一定位解算，否则定位结束。
作为优选的方案，定位系统还可以包括：GNSS接收模块、姿态测量模块，GNSS接收模块用于提供在大地坐标系下接收机的位置值；姿态测量模块用于为USBL接收基阵提供姿态值。
在根据上述方法得到目标在USBL坐标系下的坐标pu后，经过安装误差补偿得到目标在载体系下的坐标pb，通过姿态测量模块进行姿态补偿后得到在大地坐标系下的相对位置GNSS接收模块输出USBL坐标原点的绝对位置p，通过位置叠加得到目标在大地坐标系下的绝对位置pn。
本发明提供了一种基于旋转式基元复用的超短基线定位解算方法及装置，特别适用于被动式合作目标多个接收基元的USBL定位解算，也适用于多阵元的雷达目标解算。本发明公开的方法免去了对接收基阵的各基元间距误差的校正工作，它可以完全消去基元间距误差Δd、水声信号波长误差Δλ对USBL定位精度的影响。该定位方法适用于被定位目标深度已知的情况，在远距离情况下具有精度高的特点。
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)

1.一种基于旋转式基元复用的超短基线定位系统，其特征在于，所述系统包括水下信标模块、USBL接收基阵模块、USBL定位解算模块，其中，
所述水下信标模块用于向USBL接收基阵模块发出水声信号，水下信标装载在被定位目标上；
所述USBL接收基阵模块包括第一基元E1、第二基元E2，用于接收来自目标信标发出的水声信号，并完成相位差的测定；
所述USBL定位解算模块用于根据相位差及基阵与信标之间的垂直方向深度间距进行USBL定位解算；
所述的USBL接收基阵模块、水下信标模块都安装有深度计。
2.根据权利要求1所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位系统，其特征在于，所述第一基元E1、第二基元E2之间采用刚性连接杆连接。
3.根据权利要求1所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位系统，其特征在于，所述USBL接收基阵模块中由2个基元组成的基阵安装在旋转装置上，可实现分别绕x，y，z轴旋转。
4.根据权利要求1所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位系统，其特征在于，所述系统还包括：GNSS接收模块、姿态测量模块，
所述GNSS接收模块用于提供在大地坐标系下接收机的位置值；
所述姿态测量模块用于为USBL接收基阵提供姿态值。
5.一种基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：
(1)水下信标将自身的深度值hb通过水声通信发送给USBL接收基阵模块，USBL定位解算模块记录下深度值hb，USBL接收基阵模块上的深度计测出基阵USBL坐标原点的深度值ha，基阵与信标之间的垂直方向深度间距为h＝hb-ha；
(2)将第一基元E1、第二基元E2分别置于USBL坐标系的x轴的正、负半轴上，测量E1、E2之间的相位差
(3)USBL接收基阵绕y轴在XOZ平面内顺时针旋转90度，分别将第一基元E1、第二基元E2旋转到第三基元E3和第四基元E4的位置，对基元E3、E4进行相位差测量；
(4)USBL定位解算模块根据深度间距值h，x轴上E1、E2两基元的相位差以及z轴上E3、E4两基元的相位差对水下目标进行x方向上的USBL定位解算；
(5)USBL接收基阵绕x轴在YOZ平面内顺时针旋转90度，分别将第三基元E3、第四基元E4旋转到第五基元E5、第六基元E6的位置，对基元E5、E6进行相位差测量；
(6)USBL定位解算模块根据深度间距值h，y轴上两基元的相位差以及z轴上两基元的相位差进行y方向上的USBL定位解算；
(7)USBL定位解算模块根据深度间距值h进行z方向上的USBL定位解算。
6.根据权利要求5所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤(4)中x方向上的USBL定位解算按下式计算：
7.根据权利要求5所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤(6)中y方向上的USBL定位解算按下式计算：
8.根据权利要求5所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特点在于，所述步骤(7)中z方向上的USBL定位解算按下式计算：z＝-h。
9.根据权利要求5所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特点在于，所述方法还包括：在步骤(6)之后，将USBL接收基阵绕z轴在XOY平面内顺时针旋转90度，将第五基元E5、第六基元E6旋转到第一基元E1、第二基元E2的位置，准备下一轮相位差的测量。
10.根据权利要求4所述的基于旋转式基元复用的超短基线定位方法，其特点在于，所述方法还包括：根据所得的目标在USBL坐标系下的坐标pu，经过安装误差补偿得到目标在载体系下的坐标pb，通过姿态测量模块进行姿态补偿后得到在大地坐标系下的相对位置GNSS接收模块输出USBL坐标原点的绝对位置p，通过位置叠加得到目标在大地坐标系下的绝对位置pn。
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