CN110531319B - 一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法 - Google Patents

一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，包括以下步骤：首先建立基于波达方向的应答器位置校准模型；其次构建应答器位置校准测量点优化布局目标函数；接着采用遗传算法求解测量点优化布局方位角；然后对测量点进行迭代优化布局；最后获得应答器位置最终精测结果。相对于传统的方法，本发明的优势在于：1)针对基于波达方向的应答器位置校准模型，综合考虑了角度测量误差和测量点位置误差的影响，构建了测量点优化布局目标函数，通过求解目标函数可获得相对于待测应答器位置的最优测量点布局，为获得高精度的校准结果提供了基本保障；2)通过测量点优化布局和循环迭代运算，可有效提高水声应答器位置的校准精度。

Description

一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法
技术领域
本发明属于水下声学导航领域，特别是涉及一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法。
背景技术
海洋面积占地球总面积的70％以上，是人类生命的摇篮，也是地球的资源宝库。随着人口的增加，环境的恶化，陆上资源的逐渐枯竭，今天，海洋已经成为人类生存和发展的重要空间。声波是目前唯一能够有效地在海洋中远距离传播的信息载体，被广泛应用于导航定位、海洋探测、海洋自然灾害预报、水下通信与遥控、海洋生物保护及海洋军事等方面。随着海洋资源的开发利用和对海洋环境的深入研究，水声应答器在水声定位以及各种水声设备中得到了广泛的应用。应答器作为水声设备的水下应答节点，在水声设备工作前必须首先对应答器位置进行校准，应答器位置的精确校准是水声设备工作的前提，它的校准精度将直接影响水声设备的工作性能。
通常情况下，待测应答器深度由潜标自带的测深系统测出。应答器水平位置一般采用基于到达时间(Time of Arrival，TOA)的方法进行校准。然而基于到达时间校准时要求应答器时钟必须与测量船时钟时间保持一致，当应答器内部时钟失稳导致无法获得较为准确的斜距信息时，采用这种校准方法得到的结果偏差很大甚至无法完成校准。在这种情况下，基于波达方向(Direction of Arrival，DOA)的校准方法可以解决这个问题。这种校准方法主要采用测量船搭载船载声呐阵对待测应答器进行测定，测量船配备有卫星定位系统确定测量点的位置信息，然后通过测量声信号由测量点到待测应答器之间的方位角信息，从而构成一根从待测应答器到声纳阵的径向连线，即方位线。最后利用测量船在两个测量点位置提供的方位角测量值，按方位角方法确定两条方位线的交点，即为待测应答器的水平位置。应答器入水后，由于水下水流环境十分复杂，导致应答器的工作位置距离投放位置有着一定偏差。此时，如果仍按照应答器投放位置为基点进行测量点布局不符合实际情况，如果应答器实际位置和投放位置偏差过大，这种不符合实际情况的测量点布局将严重影响应答器位置的校准精度。为提高校准精度必须对测量点布局进行优化。针对以上问题，本发明提出一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法。该方法可通过对测量点布局的优化有效地提高水声应答器位置的校准精度。
发明内容
本发明公开了一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，该方法能够解决现有的符合实际情况、校准精度高等优点。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，所述水声应答器位置高精度校准方法包括以下步骤：
S1建立基于波达方向的水声应答器位置校准模型；
S2由基于波达方向的水声应答器位置校准模型得知，构造目标函数F所需的校准模型误差σX和σY来源于角度测量误差σθ和测量点位置误差σr，根据最小化均方误差的计算方法，构建应答器位置校准测量点优化布局目标函数F；
S3根据步骤S2中所构建的测量点优化布局目标函数，采用遗传算法求解测量点优化布局方位角；
S4根据所述测量点优化布局方位角进行两测量点位置优化布局并估计应答器位置坐标；
S5循环执行步骤S4，当满足迭代结束条件时，停止迭代获得应答器位置最终精测结果。
进一步的，步骤S1中，具体的，基于波达方向的水声应答器位置校准模型为：
Figure BDA0002179477460000021
其中，(X,Y)为待测应答器水平位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，θi为待测应答器的方位角。
进一步的，步骤S2中，具体的，根据最小化均方误差的计算方法，构造测量点优化布局目标函数F如下：
Figure BDA0002179477460000022
其中
Figure BDA0002179477460000023
为基线长度，
Figure BDA0002179477460000024
其中，θ1和θ2为两个测量点的波达方向实际测量值。
进一步的，步骤S4中，具体的，以待测应答器投放点位置作为第一基点，根据步骤S2至步骤S3计算得到的最优方位角进行第一次测量点布局，测量点布局公式如下：
Figure BDA0002179477460000031
其中(X0,Y0)为第一基点的坐标，(x1,y1)为第一测量点的坐标，(x2,y2)为第二测量点的坐标，a1、a2为步骤S3解算得到的第一测量点、第二测量点分别对应的最优方位角，L为基线长度，
然后利用在两个测量点所获得的波达方向实际测量值θ1、θ2，计算获得应答器位置的第一次迭代解算结果，公式如下：
Figure BDA0002179477460000032
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，该方法相对于传统方法的优势主要在于：
1)针对基于波达方向的应答器位置校准模型，综合考虑了角度测量误差和测量点位置误差的影响，构建了测量点优化布局目标函数，通过求解目标函数可获得相对于待测应答器位置的最优测量点布局，为获得高精度的校准结果提供了基本保障。
2)通过测量点优化布局和循环迭代运算，可有效提高水声应答器位置的校准精度。
附图说明
图1为本发明的一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法的方法流程图；
图2为水声应答器位置校准的测量点布局方位角示意图；
图3校准精度随迭代次数变化曲线。
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。
参照图1所示，本发明通过以下技术方案实现：一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，其特征在于，所述水声应答器位置高精度校准方法包括以下步骤：
S1建立基于波达方向的水声应答器位置校准模型；
S2构建应答器位置校准测量点，优化布局目标函数；
S3根据步骤S2中所构建的测量点优化布局目标函数，采用遗传算法求解测量点优化布局方位角；
S4根据所述测量点优化布局方位角进行两测量点位置优化布局并估计应答器位置坐标；
S5循环执行步骤S4，当满足迭代结束条件时，停止迭代获得应答器位置最终精测结果。
在本部分优选实施例中，步骤S1中，具体的，基于波达方向的水声应答器位置校准模型为：
Figure BDA0002179477460000041
其中，(X,Y)为待测应答器水平位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，θi为待测应答器的方位角。
在本部分优选实施例中，步骤S2中，具体的，根据步骤一所述，校准模型误差σX、σY来源于角度测量误差σθ和测量点位置误差σr，根据最小化均方误差的计算方法，构造目标函数F如下：
Figure BDA0002179477460000042
其中
Figure BDA0002179477460000043
为基线长度，
Figure BDA0002179477460000044
当目标函数F取得最小值时，水声应答器的校准精度最高，此时的θ1、θ2即测量点优化布局所对应的方位角最优值。
在本部分优选实施例中，步骤S3中，具体的，根据步骤S2中所构建的测量点优化布局目标函数F，采用遗传算法进行求解，获得方位角优化结果。由于遗传算法具有结构简单，通用性强，计算量小，稳健性强，全局优化能力强等特点，所以选择其作为解算方法。
在本部分优选实施例中，步骤S4中，具体的，以待测应答器投放点位置作为第一基点，根据步骤S2至步骤S3计算得到的最优方位角进行第一次测量点布局，测量点布局公式如下：
Figure BDA0002179477460000051
其中(X0,Y0)为第一基点的坐标，(x1,y1)为第一测量点的坐标，(x2,y2)为第二测量点的坐标，a1、a2为步骤S3解算得到的第一测量点、第二测量点分别对应的最优方位角，L为基线长度，
然后利用在两个测量点所获得的波达方向信息θ1、θ2，计算获得应答器位置第一次迭代解算结果，公式如下：
Figure BDA0002179477460000052
在本部分优选实施例中，具体的，步骤S5中，具体的，循环执行步骤S4，当满足迭代结束条件时，停止迭代获得应答器位置最终精测结果。
以第一次应答器位置解算结果作为第二基点进行第二次测量点布局，并获得第二次解算结果，依次类推。当满足迭代结束条件时，停止迭代获得应答器位置最终精测结果。根据第N次解算结果和第N-1次解算结果的差值设置迭代门限。迭代门限设置为步骤S3所求出的理论最优精准精度F，如下式所示：
Figure BDA0002179477460000061
其中，(XN,YN)为第N次结算结构，(XN-1,YN-1)为第N-1次结算结果，当满足上式时，即停止迭代并将第N次解算结果作为应答器位置最终精测结果。
下面给出一个具体实施算例：
采用仿真数据对本发明所设计的基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法进行验证，并对过程结果进行说明。
首先给出各参数如下：角度测量误差σθ为1°，测量点位置误差差σr为1m，基线长度L为100m。应答器投放位置为(0,0)，应答器实际位置为(200,-300)。水声应答器位置在该仿真条件下校准的最优方位角示意图如图2所示。理论上的最优校准精度F＝2.174m。经计算，经过5次迭代后即可达到迭代门限设置要求，此时校准精度为2.178m，而如果以投放位置作为基点进行测量点布局的校准误差高达41.57m。校准精度随迭代次数的变化曲线如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于测量点优化布局的水声应答器位置高精度校准方法，其特征在于，所述水声应答器位置高精度校准方法包括以下步骤：
S1建立基于波达方向的水声应答器位置校准模型；
S2由基于波达方向的水声应答器位置校准模型得知，构造目标函数F所需的校准模型误差σX和σY来源于角度测量误差σθ和测量点位置误差σr，根据最小化均方误差的计算方法，构建应答器位置校准测量点优化布局目标函数F；
S3根据步骤S2中所构建的测量点优化布局目标函数，采用遗传算法求解测量点优化布局方位角；
S4根据所述测量点优化布局方位角进行两测量点位置优化布局并估计应答器位置坐标；
S5循环执行步骤S4，当满足迭代结束条件时，停止迭代获得应答器位置最终精测结果,
步骤S1中，具体的，基于波达方向的水声应答器位置校准模型为：
Figure FDA0003792535950000011
其中，(X,Y)为待测应答器水平位置坐标，i为测量点序号，(xi,yi)为测量点位置坐标，θi为待测应答器的方位角；
步骤S2中，具体的，根据最小化均方误差的计算方法，构造测量点优化布局目标函数F如下：
Figure FDA0003792535950000012
其中
Figure FDA0003792535950000013
为基线长度，
Figure FDA0003792535950000014
其中，θ1和θ2为两个测量点的波达方向实际测量值；
步骤S4中，具体的，以待测应答器投放点位置作为第一基点，根据步骤S2至步骤S3计算得到的最优方位角进行第一次测量点布局，测量点布局公式如下：
Figure FDA0003792535950000021
其中(X0,Y0)为第一基点的坐标，(x1,y1)为第一测量点的坐标，(x2,y2)为第二测量点的坐标，a1、a2为步骤S3解算得到的第一测量点、第二测量点分别对应的最优方位角，L为基线长度，
然后利用在两个测量点所获得的波达方向实际测量值θ1、θ2，计算获得应答器位置的第一次迭代解算结果，公式如下：
Figure FDA0003792535950000022
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