CN110294080B - 一种利用超短基线实现水下精确作业的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，包括以下步骤：(1)、系统安装，(2)、水下载体地理坐标位置获取，(3)、动力定位：本发明声基阵坐标系与船的坐系之间的关系要无需在安装时精确测定，不需要在海上快速、有效地对超短基线定位系统进行安装校准，大大降低了对母船的安装调试等繁琐工作的难度，本发明结构简单，精度高，具有广泛的应用前景。

Description

一种利用超短基线实现水下精确作业的方法

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种利用超短基线实现水下精确作业的方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和对自然的不断探索，人类的足迹向着更深更远的方向延伸。在天空，人们不断突破速度的极限，并且向着宇宙深处不断进发；在水下，人们不断挑战着下潜的极限，打开未知海洋世界的大门。但无论上天还是下海，都需要导航定位来提供位置、姿态信息。然而人们对海洋探索的步伐远不及对天空的认知，最主要的原因就是电磁波信号在海水这种高导电介质中衰减严重，而且频率越高，衰减越严重。例如频率为3～30kHz的甚长波在海水中传输的深度也仅能达到20m。因此，尽管卫星导航系统可为不限量的用户全天候地提供三维定位、定时和速度测量，定位精度很高，但是水下航行器只有上浮接近水面才能获取卫星导航系统或其他无线电导航系统的导航信息，如果航行器在水面以下相当深处航行，到水面就需要很多时间和能耗。上述缺点限制了卫星导航系统或其他无线电导航系统在水下航行器中的应用。

声波在水下传播特性良好，作用范围广，一般的中高频水声信号的作用范围都在千米级别，低频水声信号传播距离可以高达10km以上。水声定位导航系统因其简单可靠、灵活多变等特点，是检验和鉴定水下航行器性能的主要手段。高精度水下定位系统是许多高新技术的集成，是海洋调查和开发的基本设备，具有广泛的用途，在海洋探测研究、海洋工程、海洋矿产资源、水下考古、海洋国防建设等方面，都离不开水下定位系统为其提供高精度、高质量的定位资料；因此，高精度的水下定位技术对维护国家领土权益和国民经济建设都具有重要意义。声学定位方法按照接收基阵的尺寸或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位主要是通过水声信号测量声源与应答器基阵间的距离进行定位，基阵中基元间的距离称为基线。水声定位系统可以分为长基线(LBL)、短基线(SBL)和超短基线(USBL)三种。上述三种声学基线定位系统具有各自的优势和特点，长基线定位系统因其基线较长，所以定位精度很高。但是在深水使用时，位置数据更新率较低，仅达到分钟量级。其次，布放、校准以及回收需要较长时间，且作业过程较为复杂。相比于长基线复杂的应答器校准过程，短基线的基阵一旦安装校正完成，定位导航作业就较为方便。然而短基线定位系统的缺点也比较突出，首先一般在舰船建造时就确定水听器基元的安装位置，一旦确定就不便于更改；其次，安装位置难免会受到螺旋桨等机械噪声的干扰，影响定位性能；最后，船体的形变对于高精度定位也会带来一定的误差。超短基线定位系统提供的定位精度往往不及前两种。这是因为它只有一个紧凑的尺寸很小的声基阵安装在载体上。基阵作为一个整体单元，可以使其处在流噪声和结构噪声均较弱的某个有利位置。此外，它也无需布放浮标和应答器阵。但是通过精细设计，超短基线系统的定位精度有望能够接近长基线系统的定位精度。长基线和短基线水声定位系统需要分别在海床和船体上安装固定接收基阵，超短基线水声定位系统则将水听器组件装在一个精密的容器里，并且基线长度在厘米范围。相对而言，超短基线定位技术更具有便携性和独立性，因此成为水声定位设备发展的热点。

超短基线定位系统(USBL)作为一种热门的水下定位技术，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、ads、潜水员、水下其他载体的水下精确位置。超短基线定位系统由发射换能器、应答器、接收基阵组成。发射换能器和接收基阵安装在船上，应答器固定在水下载体上。发射换能器发出一个声脉冲，应答器收到后，回发声脉冲，接收基阵收到后，测量出X、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间计算出水下装置到基阵的距离R，从而计算得到水下探测器在平面坐标上的位置和水下探测器的深度。在幽深的海底，要想知道潜水器所在位置并不容易，因为无线电波在水中的快速衰减使GPS的定位手段无计可施。声波是目前最有效的水下远距离传播的信息载体。超短基线的接收传感器就类似于人类的耳朵，两耳之间的距离就相当于基线。长基线系统的信标之间相距几公里到几十公里，基线越长，精度越高。但潜水器进行水下精确作业时，需要在海底布阵，复杂且受限。超短基线定位系统工作原理就是在水下被定位的目标上，安装声信标，水上的船体安装超短基线基阵，声信标发出声信号，超短基线系统接收到信号后测算出目标的方位及距离。就一般载人潜水器而言，当其身处海底时，在水下每8秒向母船发出一次声学信号，信号到达母船上的超短基线定位系统各接收传感器时会有先后顺序。利用这种时延差，超短基线系统就能计算出其具体位置、所处的深度以及与母船的距离。

水下定位技术的关键就是定位精度，超短基线水声定位系统由换能器与应答器共同实现对水下目标的定位，换能器固定在测量船上。为了得到水下目标的地理位置，需要外接GPS定位系统。由于换能器在水下，GPS天线在船上，换能器与GPS天线之间存在位置差。另外，换能器的定向系统与船心坐标系之间不可能完全重合，存在系统性定向偏差。因此，超短基线水声定位系统工作之前，必须对这些系统性差异进行校准，否则，会出现很大的系统性位置偏差。所以，超短基线的优点：低价的集成系统、操作简便容易；只需一个换能器，安装方便；高精度的测距精度。超短基线的缺点：系统安装后的校准需要非常准确，而这往往难以达到；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备精度一一电罗经、姿态传感器和深度传感器。如今研究表明，应答器越靠近船正下方，定位精度越高。因此，超短基线定位系统的工作范围一般在基阵下方一定的锥角区域内。也就是说，只在基阵下方一个有限的锥体内定位精度较高，但是，由于风、浪、流的影响，母船很难能够确保位置不发生变化。所以，如何能够确保应答器始终在基阵下方一个有限的锥体范围内，成为了超短基线定位系统能否实现高精度定位的关键问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够准确控制母船绝对位置，确保应答器始终在基阵下方一个有限的锥体范围内，有效提高水下定位精度的利用超短基线实现水下精确作业的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，包括以下步骤：

(1)、系统安装：

a、在母船上选取一参考点，通过参考点并指向母船艏向的为X轴，通过参考点并指向母船右舷的为Y轴，通过参考点并垂直向下的为Z轴，建立右手母船参考坐标系；

b、将若干换能器按照一定的规律排列而成，组成水声接收基阵并安装在母船的参考点位置，并获得水声接收基阵坐标系，在母船上安装运动参考单元和姿态传感器，获得姿态传感器坐标系，以及用于分析、坐标转换计算母船绝对坐标位置及水下载体相对坐标位置的控制系统；

c、在母船任意位置选取并安装一用于接收GPS无线信号的天线接收器，并在母船任意位置选取并安装一与天线接收器安装位置相关联的坐标参考位置，该坐标参考位置与水声接收基阵的坐标位置相关联；

d、母船安装动力定位系统，动力定位系统与GPS建立信号连接；

(2)、水下载体地理坐标位置获取：

a、GPS发送信号至母船天线接收器，控制系统根据接收到的信号经处理获得母船的绝对坐标位置，坐标参考位置与母船的绝对坐标位置相比较，经控制系统分析，获得坐标参考位置的实际坐标数据；

b、在先安装在母船上的水声接收基阵根据坐标参考位置的实际坐标数据获得水声接收基阵的实际坐标位置；

c、换能器向水下发射声波信号至水下载体，水下载体的声学应答器在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号至水声接收基阵，经控制系统的软件处理后得到水下载体的相对方位和距离，经坐标转换计算最终确定水下载体的最终准确的相对位置坐标；

(3)、动力定位：

a、根据母船当前的绝对位置坐标及水下载体的相对位置坐标，结合水声接收基阵坐标系，经控制系统计算获得水下载体在水声接收基阵坐标系中的实际位置；

b、该实际位置通过水声接收基阵坐标系判断，获得水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的的锥体范围内或范围外的实际空间位置；

c、当水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的的锥体范围外时，设定母船的实际位置，将水下载体的声学应答器置入水声接收基阵下方的的锥体范围内，并将其输入控制系统内，测量部分测量部分采集的信息进行处理并根据所设定的母船的实际位置，将控制指令输出至推力器部分以实现预定的母船运动至设定位置；

d、到达设定位置后，测量部分发送信号至控制系统，控制系统结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制母船稳定停止在设定位置，以确保水下载体的声学应答器始终在水声接收基阵下方一个有限的锥体范围内。

上述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，所述步骤(1)、系统安装中，母船上选取的参考点为母船重心或其他任意位置。

上述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，所述运动参考单元包括与控制系统信号连接的电罗经、声速剖面仪，用于提供母船的纵倾和横摇的加速度信息，对母船的晃动及时进行补偿，所述姿态传感器对接收基阵进行静态校正，使之更接近理想的水平状态。

上述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，所述水声接收基阵的换能器发出一个声脉冲，水下载体的声学应答器收到后，回发一个个声脉冲，水声接收基阵收到后，测量出x、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间得到距离R，从而给出目标在平面上的x、Y方位和目标在水下的深度，根据以上的数据，获得水下载体在水下的实际方位。

上述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，所述电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

本发明利用超短基线实现水下精确作业的方法的优点是：由于在安装长程超短基线定位系统进行水下声学定位测量过程中，很难保证换能器基阵心的三坐标轴与测量船重心的三坐标轴完全重合一致，本发明无需提前校准，可任意安装换能器基阵，通过母船任意位置选取并安装一与天线接收器安装位置相关联的坐标参考位置，该参考位置与水声接收基阵的坐标位置相关联，可获得实际换能器基阵的坐标位置，利用动力定位系统对母船位置的控制，可使得水下载体的声学应答器始终在水声接收基阵下方一个有限的锥体范围内，大大提高了超短基线对水下载体的精确定位，本发明声基阵坐标系与船的坐系之间的关系要无需在安装时精确测定，不需要在海上快速、有效地对超短基线定位系统进行安装校准，大大降低了对母船的安装调试等繁琐工作的难度，本发明结构简单，精度高，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明超短基线定位原理示意图；

图2为本发明实现精确定位的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2所示，一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，包括以下步骤：

(1)、系统安装：

a、在母船1上选取一参考点2，通过参考点2并指向母1船艏向的为X轴，通过参考点并指向母船右舷的为Y轴，通过参考点2并垂直向下的为Z轴，建立右手母船参考坐标系；本发明中，在母船1上选取的参考点2可以为母船1的重心，也可以是母船1上的其他任意位置。

b、将若干换能器按照一定的规律排列而成，组成水声接收基阵3并安装在母船1的参考点2的位置，并获得水声接收基阵坐标系，在母船1上安装运动参考单元和姿态传感器，获得姿态传感器坐标系，以及用于分析、坐标转换计算母船1的绝对坐标位置及水下载体4的相对坐标位置的控制系统；运动参考单元包括与控制系统信号连接的电罗经、声速剖面仪，用于提供母船的纵倾和横摇的加速度信息，对母船的晃动及时进行补偿，所述姿态传感器对接收基阵进行静态校正，使之更接近理想的水平状态。

c、在母船1的任意位置选取并安装一用于接收GPS无线信号的天线接收器5，并在母船1的任意位置选取并安装一与天线接收器5的安装位置相关联的坐标参考位置6，该坐标参考位置6与水声接收基阵3的坐标位置相关联；

d、母船1安装动力定位系统，动力定位系统与GPS建立信号连接；

(2)、水下载体地理坐标位置获取：

a、GPS发送信号至母船1的天线接收器5，控制系统根据接收到的信号经处理获得母船1的绝对坐标位置，坐标参考位置6与母船1的绝对坐标位置相比较，经控制系统分析，获得坐标参考位置6的实际坐标数据；

b、在先安装在母船1上的水声接收基阵3根据坐标参考位置6的实际坐标数据获得水声接收基阵3的实际坐标位置；

c、换能器向水下发射声波信号至水下载体4，水下载体4的声学应答器在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号至水声接收基阵3，经控制系统的软件处理后得到水下载体4的相对方位和距离，经坐标转换计算最终确定水下载体4的最终准确的相对位置坐标；

(3)、动力定位：

a、根据母船1当前的绝对位置坐标及水下载体4的相对位置坐标，结合水声接收基阵坐标系，经控制系统计算获得水下载体4在水声接收基阵坐标系中的实际位置；

b、该实际位置通过水声接收基阵坐标系判断，获得水下载体4的声学应答器在水声接收基阵3下方的的锥体范围内或范围外的实际空间位置；

c、当水下载体4的声学应答器在水声接收基阵3下方的的锥体范围外时，设定母船1的实际位置，将水下载体4的声学应答器置入水声接收基阵3下方的的锥体范围内，并将其输入控制系统内，测量部分测量部分采集的信息进行处理并根据所设定的母船1的实际位置，将控制指令输出至推力器部分以实现预定的母船1运动至设定位置；

d、到达设定位置后，测量部分发送信号至控制系统，控制系统结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制母船1稳定停止在设定位置，以确保水下载体4的声学应答器始终在水声接收基阵3下方一个有限的锥体范围内。

水声接收基阵3的换能器发出一个声脉冲，水下载体4的声学应答器收到后，回发一个个声脉冲，水声接收基阵3收到后，测量出x、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间得到距离R，从而给出目标在平面上的x、Y方位和目标在水下的深度，根据以上的数据，获得水下载体4在水下的实际方位。

在控制水下机器人作业时，需要随水下机器人的移动来控制船舶与水下机器人的实时相对位置，电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。确保水下机器人的实际工作位置始终在船舶基阵下方一个有限的锥体范围内，进而有效监测水下机器人的实际位置。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、系统安装：

a、在母船上选取一参考点，通过参考点并指向母船艏向的为X轴，通过参考点并指向母船右舷的为Y轴，通过参考点并垂直向下的为Z轴，建立右手母船参考坐标系；

b、将若干换能器按照一定的规律排列而成，组成水声接收基阵并安装在母船的参考点位置，并获得水声接收基阵坐标系，在母船上安装运动参考单元和姿态传感器，获得姿态传感器坐标系，以及用于分析、坐标转换计算母船绝对坐标位置及水下载体相对坐标位置的控制系统；

c、在母船任意位置选取并安装一用于接收GPS无线信号的天线接收器，并在母船任意位置选取一与天线接收器安装位置相关联的坐标参考位置，该坐标参考位置与水声接收基阵的坐标位置相关联；

d、母船安装动力定位系统，动力定位系统与GPS建立信号连接；

(2)、水下载体地理坐标位置获取：

a、GPS发送信号至母船天线接收器，控制系统根据接收到的信号经处理获得母船的绝对坐标位置，坐标参考位置与母船的绝对坐标位置相比较，经控制系统分析，获得坐标参考位置的实际坐标数据；

b、在先安装在母船上的水声接收基阵根据坐标参考位置的实际坐标数据获得水声接收基阵的实际坐标位置；

c、换能器向水下发射声波信号至水下载体，水下载体的声学应答器在收到讯问信号后，发射区别于讯问信号的响应信号至水声接收基阵，经控制系统的软件处理后得到水下载体的相对方位和距离，经坐标转换计算最终确定水下载体的最终准确的相对位置坐标；

(3)、动力定位：

a、根据母船当前的绝对位置坐标及水下载体的相对位置坐标，结合水声接收基阵坐标系，经控制系统计算获得水下载体在水声接收基阵坐标系中的实际位置；

b、该实际位置通过水声接收基阵坐标系判断，获得水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的锥角区域内或区域外的实际空间位置；

c、当水下载体的声学应答器在水声接收基阵下方的锥角区域外时，设定母船的实际位置，将水下载体的声学应答器置入水声接收基阵下方的锥角区域内，并将其输入控制系统内，控制系统将测量部分采集的信息进行处理并根据所设定的母船的实际位置，将控制指令输出至推力器部分以实现预定的母船运动至设定位置；

d、到达设定位置后，测量部分发送信号至控制系统，控制系统结合测量部分收到的风、浪、流实时信息，对主推进器和/或侧推进器发送启动信号，改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩的前提下，控制母船稳定停止在设定位置，以确保水下载体的声学应答器始终在水声接收基阵下方一个有限的锥角区域内。

2.根据权利要求1所述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征是：所述步骤(1)、系统安装中，母船上选取的参考点为母船重心或其他任意位置。

3.根据权利要求1所述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征是：所述运动参考单元包括与控制系统信号连接的电罗经、声速剖面仪，用于提供母船的纵倾和横摇的加速度信息，对母船的晃动及时进行补偿，所述姿态传感器对接收基阵进行静态校正，使之更接近理想的水平状态。

4.根据权利要求1所述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征是：所述水声接收基阵的换能器发出一个声脉冲，水下载体的声学应答器收到后，回发一个个声脉冲，水声接收基阵收到后，测量出x、Y两个方向的相位差，并根据声波的到达时间得到距离R，从而给出目标在平面上的x、Y方位和目标在水下的深度，根据以上的数据，获得水下载体在水下的实际方位。

5.根据权利要求3所述的利用超短基线实现水下精确作业的方法，其特征是：所述电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

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