CN111025302B - 一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法，其中定位系统包括船载短基阵(1)、信号处理设备(4)、水下信标(3)，船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且设有对应的GPS天线(111)和对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)上的数据处理舱(41)；水下信标(3)设置于水下目标(6)，通过短基阵接受水下信标发射的同步/异步水声脉冲信号，经过信号处理设备解算后，进行定位信息的绘制与显示，连续定位便可实现水下目标的航行轨迹跟踪，本发明实现了无需人工实施的自动化校准及智能定位跟踪。
Description
技术领域
本发明属于水声定位跟踪技术领域，具体涉及一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法，可在系统安装完成后，直接进行水下目标的定位跟踪及导航，无需进行常规的试前人工校准。
背景技术
当前船载水声定位跟踪系统，多为超短基线和短基线系统。通常利用水声定位原理实时获得水下目标相对于船载基阵的位置信息，再结合船只当前的GPS/北斗定位信息，以及船载基阵的姿态等信息，进行坐标转换获得水下目标的绝对坐标信息；利用水声通信原理实现水下目标的遥测、遥控，以及水下导航等功能。
由于水声定位系统均存在坐标系转换问题，例如船载式水声定位系统存在基阵坐标系、船只坐标系、大地坐标系等多个坐标系的转换，其水声定位导航的精度直接与坐标系的转换相关。因此，船载水声定位系统在安装完成后，必须需要进行校准，获得不同坐标系之间的坐标偏移量，经过修正后才能实现水声定位及导航等功能，才能确保其水声定位的精度。通常情况下，船载水声定位跟踪系统在安装完成后，需要采用动态跑船或静态吊放声源的方式进行系统校准，解算不同坐标系之间的旋转参数矩阵。
由此可见，常规水声定位系统无论是采用动态还是静态方式，均存在校准工作量较大，经济性差，准备时间过长等不足。虽然国内进行了多种方法的研究和测试，在动态校准的基础上提出了静态校准的实施方法，但均需要人工跑船或静态吊放声源进行比对校准。特别是在需要反复拆装船载基阵的工程应用上，每次船载基阵安装后均需进行适应性校准，试验效率较低，且用户使用成本较高。如能研制一种无需人工校准的智能化船载水声定位系统，将大大提高工作效率。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种智能化船载水声定位装置、系统及定位方法。
具体采用了以下设计结构及设计方案：
一种智能化船载水声定位装置，包括船载短基阵(1)、工作母船(2)、信号处理设备(4)、水下信标(5)，船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)；信号处理设备(4)设置于工作母船(2)内，水下信标(5)设置于水下目标(6)上。
优选的，所述船载短基阵(1)由五元组合换能器构成，且船载短基阵(1)与刚性连接杆(3)采用卡槽防差错结构，使船载短基阵(1)坐标系和工作母船(2)坐标系的夹角小于5°。
优选的，所述船载短基阵(1)中心为水密电子舱，高精度姿态传感器及其他电子组件均安装在水密电子舱内。
优选的，所述信号处理设备(4)包括模拟信号调理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量以及系统供电；
优选的，所述水下信标(3)包括信号源、功率放大器、组合换能器以及内置电源，其中信号源用于产生声信号，经功率放大器放大后通过组合换能器发出，内置电源用于供电。
一种智能化船载水声定位系统，包括船载的发射换能器模组、GPS定位模组、信号处理模组，以及水下的水下目标组件，其中：
水下目标组件，用于发出水声信号；
发射换能器模组，用于接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号进行校准并发传输至信号处理模组；
GPS定位模组，用于获取发射换能器模组的绝对位置信息，作为水声定位跟踪解算基础数据。并输送至信号处理模组；
信号处理模组，用于接收发射换能器模组和GPS定位模组所发出的信号、信息，获得水下目标组件相对于发射换能器模组的位置坐标、绝对位置信息，并进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标组件的精确定位信息。
优选的，所述发射换能器模组还用于获取其自身的姿态信息并发传输至信号处理模组；所述信号处理模组还用于结合所述姿态信息后，通过模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后，进行水声脉冲信号帧行识别以及获得深度调制时延、频率后由数据处理显控设备对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正；
所述发射换能器模组中，通过至少两套换能器来接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号依次进行校准并发传输至信号处理模组。
一种智能化船载水声定位方法，包括以下步骤，
步骤S1：定位系统安装完成后，对船载短基阵(1)进行入水检测，并自动完成基阵孔径测量，作为水声定位跟踪解算基础数据；
步骤S2：控制发射换能器(11)和发射换能器(31)依次进行校准声信号发射，获得对应的船载短基阵(1)坐标系下的位置信息，同时由GPS天线(111)和GPS天线(311)获得发射换能器(11)和发射换能器(31)的绝对位置信息；
步骤S3：水下目标(6)发出声信号，船载短基阵(1)的阵元接收，传输至信号处理设备(4)进行数据处理，结合步骤S1获得的基阵孔径，获得水下目标(3)相对于船载短基阵(1)位置坐标；
步骤S4：最后带入船载短基阵(1)内部的姿态信息，结合步骤S2获得的绝对位置信息，进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标的精确定位信息。
优选的，所述步骤S3中信号处理设备(4)的数据处理包括对声信号放大、调理、获取脉冲延时、对目标深度信息进行频率编码和脉冲间隔解调，以及对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正。
优选的，所述定位结算采用同步式球面交汇定位算法：
式中i＝1,2,3；(x,y,z)为所求的水下目标位置；(xi、yi、zi)为已知的水听器坐标；c为平均声速；ti为声信号到达各水听器的时间；
所述对目标深度信息采用双脉冲深度遥测，利用双脉冲件的时延差为目标深度进行编码，计算式为，
其中时延差T的最小值为T min,代表目标最小深度H min；时延差最大值为T max，代表目标最大深度H max。
优选的，所述坐标系统的修正和转换公式为，
其中Ф、α、β分别为船体姿态的航向角、横滚角、俯仰角，在大地坐标系和系统基阵坐标系中的位置分别为X＝(X,Y,Z)T和x＝(x,y,z)T。
本发明的工作原理如下：
本发明中船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有发射换能器(11)和发射换能器(31)，且在发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(111)，发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线(311)，水下目标(6)上的水下信标(5)产生信号源，发射换能器(11)和发射换能器(31)对声信号依次进行校准并发射，由船载短基阵(1)阵元接收并传输至信号处理设备(4)进行处理，同时GPS天线(111)和GPS天线(311)分别获得发射换能器(11)和发射换能器(31)的绝对位置信息；
通过工作母船(2)上的信号处理设备(4)进行信号数据处理，模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后传输至数字信号处理进行水声脉冲信号帧行识别，采用双脉冲深度遥测获得深度调制时延、频率后传输至数据处理显控设备，数据处理显控设备对脉冲信号进行匹配、分组、同步式球面交汇定位结算、声线修正获得水下目标相对于船载短基阵(1)的坐标，带入船载短基阵(1)内部的姿态信息，进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标的精确定位信息。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明在水声定位系统基阵安装完成时，无需常规的跑船测试，可智能化进行水声定位跟踪。如可自动进行入水检测、基阵孔径校准，以及坐标系偏移参数矩阵校准，自动进行水下目标的定位跟踪，在获取系统内部及外围设备数据的基础上进行智能化判定，如系统增益调节、故障分析等。该系统的智能化设计大大降低用户的人工操作复杂度和干预度，在提高工作效率、降低试验成本的同时，也为后期的维护保养提供智能化检测手段，提高系统的维修性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的工作原理流程图；
图4为本发明的方法流程图；
图5为本发明的定位算法示意图；
图6为船体姿态角示意图；
图7为本发明在某水域跑船试验定位跟踪轨迹对比图；
附图标号：1—船载短基阵；11—发射换能器；111—GPS天线；2—工作母船；3—刚性连接杆；31—发射换能器；311—GPS天线；4—信号处理设备；5—水下信标；6—水下目标。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明。
实施例1：
如说明书附图1-2所示，一种智能化船载水声定位装置，包括船载短基阵1、工作母船2、信号处理设备4、水下信标5，船载短基阵1与工作母船2通过刚性连接杆3固定连接，在船载短基阵1底部的中心位置和刚性连接杆3的入水端分别设有发射换能器11和发射换能器31，且在发射换能器11同一垂直线上方设有对应的GPS天线111，发射换能器31同一垂直线上方设有对应的GPS天线311；信号处理设备4设置于工作母船2内，水下信标5设置于水下目标6上。
进一步地，船载短基阵1由五元组合换能器构成，且船载短基阵1与刚性连接杆3采用卡槽防差错结构，使船载短基阵1坐标系和工作母船2坐标系的夹角小于5°。
进一步地，船载短基阵1中心为水密电子舱，高精度姿态传感器及其他电子组件均安装在水密电子舱内。
进一步地，信号处理设备4包括模拟信号调理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量以及系统供电，模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后传输至数字信号处理进行水声脉冲信号帧行识别以及获得深度调制时延、频率后传输至数据处理显控设备，数据处理显控设备对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正；航姿测量用于获取的船载姿态信息。
进一步地，水下信标5包括信号源、功率放大器、组合换能器以及内置电源，其中信号源用于产生声信号，经功率放大器放大后通过组合换能器发出，内置电源用于供电。
实施例2：
如说明书附图3-4所示，一种智能化船载水声定位方法，包括以下步骤：
S1：定位系统安装完成后，对船载短基阵1进行入水检测，由信号处理设备4中的数据处理显控控制自动完成基阵孔径测量；
S2：控制发射换能器11和发射换能器31依次进行校准声信号发射，获得对应的船载短基阵1坐标系下的位置信息，同时由GPS天线111和GPS天线311获得发射换能器11和发射换能器31的绝对位置信息，获得坐标系之间的偏转参数矩阵，作为水声定位跟踪坐标转换时的精确修正数据；
S3：水下目标6通过水下信标5的信号源发出水声信号经水中传播，由船载短基阵1的阵元(水听器)接收，经功率放大器放大后传输至数据处理舱中的信号处理设备4，然后由模拟信号调理设备对水声信号进行放大调理、控制等一系列处理后，送数字信号处理设备进行信号处理分析；
数字信号处理设备完成水声脉冲信号帧行识别，求得脉冲传播时延，再对信号中目标深度信息进行频率编码和脉冲间隔解调，得到深度调制时延及频率等信息，并将脉冲信息传送至目标定位跟踪显控设备，目标定位跟踪显控设备进行脉冲信号的匹配、分组、定位解算及声线修正等，其中目标定位跟踪系统水平定位采用同步式球面交汇定位原理，计算式为：
式中i＝1,2,3；(x,y,z)为所求的水下目标位置；(xi、yi、zi)为已知的水听器坐标；c为平均声速；ti为声信号到达各水听器的时间；
如说明书附图所3示，五元船载短基阵1在原理上可简化为三元阵，由三个水听器Sc、Sx、Sy构成平面三角形跟踪基阵，设三角形基阵顶点坐标(x0,y0)，基阵孔径对应长度分别为a、b、d，则有，
设目标位置为T(x,y,z)，目标传输延时分别为t1、t2、t3，声速为c，已知一顶点坐标(x0,y0)，代入公式(1)中则有，
解方程组得出，
如果声传输介质是均匀不变的，那么利用纯数学公式便可直接获得目标深度的精确测量值，但是在实际声环境中，存在声线弯曲等复杂现象，不能精确获得其声传播曲线。虽然采用合适的声线修正方法可以提高测量精度(如等声速法、等梯度法)，但是由于某水域的最大深度一般为150m左右，而且随着季节的变化，声速梯度变化明显，深度测量精度提高不大，甚至在某些情况下还会产生明显错误数值。
因此在实际工程中，本方法采用双脉冲深度遥测的方法来提高深度测量精度，利用双脉冲间的时延差为目标深度进行编码。双脉冲间的时延差T的最小值为Tmin,，代表目标最小深度Hmin；时延差最大值为Tmax，代表目标最大深度Hmax。目标深度H与之相对应的双脉冲时延差T存在如下公式：
则目标深度H(即为坐标z)为：
由公式(4)、(6)便可获得水下目标相对于船载短基阵1的位置坐标(x,y,z/H)。
S4：最后带入船载短基阵1内部的姿态信息，如说明书附图4所示，船体姿态是由航向角(又称航偏角)、横滚角(又称滚动角)和俯仰角(又称纵摇角)来定义的，船体姿态角的坐标系采用船体坐标系(BFS)，以船体重心为原点，Y轴指向船体运动的方向，X轴垂直与Y轴指向船体右侧，Z轴与X、Y轴正交形成右手坐标系，为了方便后续进行姿态角修正公式的计算，这里规定航向角、俯仰角及横滚角的正方向与图中旋转箭头标注相同。
假定在测量过程中，基阵坐标系原点相对于大地坐标是静止的，并认为两个坐标系原点是相同或有固定偏移(偏移量(x0,y0,z0)T)，这样，只需考虑基阵围绕坐标轴的转动便可。假设基阵坐标系为oxyz，大地坐标系为OXYZ。
如说明书附图6所示，基阵先绕Z轴转动Ф角(航向角)，再绕Y轴转动α角(横滚角)，再绕X轴转动β角(俯仰角)。
目标在大地坐标系和系统基阵坐标系中的位置分别为X＝(X,Y,Z)T和x＝(x,y,z)T，因此存在如下公式：
将水声定位系统测量相对于基阵的坐标数据，带入上述公式即可获得水下目标的大地坐标。
因此，水声定位系统需要试前获知水声基阵与船只坐标系的夹角(该过程称为“系统校准”)，才能在实航过程中通过实时测量的基阵姿态数据结合上述夹角进行修正，最终获得水下目标的精确位置信息。
如说明书附图7所示，利用试验船只吊放声源(声源上对应有DGPS天线)的方式，采用动态跑船方法对系统定位功能和精度进行验证，试验船只的DGPS轨迹和水声定位轨迹重合度较好，以图中最远处标注为“最大偏差处”为例，实际经校准的水声定位偏差为12.5m，远小于常规定位偏差67.5m，经过校准后的水声定位误差由67.5m缩减至12.5m。因此，实航试验证明经过自动校准的船载水声定位系统具备较高的定位精度，并且校准效率高，具有较高的工程应用价值。
本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，上述实施例只是为了帮助解释和说明本发明，而不是对本发明的保护范围进行限制，只要设计与本发明的设计相同或者是只要是等同替换的都落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种智能化船载水声定位系统的定位方法，包括船载短基阵(1)、信号处理设备(4)、水下信标(5)，其特征在于：定位方法步骤如下，
步骤S1：定位系统安装完成后，对船载短基阵(1)进行入水检测，由信号处理设备(4)中的数据处理显控控制；并自动完成基阵孔径测量，作为水声定位跟踪解算基础数据；
步骤S1中所述信号处理设备(4)完成水声脉冲信号帧行识别，求得脉冲传播时延，再对信号中目标深度信息进行频率编码和脉冲间隔解调，得到深度调制时延及频率信息，并将脉冲信息传送至目标定位跟踪显控设备，目标定位跟踪显控设备进行脉冲信号的匹配、分组、定位解算及声线修正，其中目标定位跟踪系统水平定位采用同步式球面交汇定位算法：
式中i＝1,2,3；(x,y,z)为所求的水下目标位置；(xi，yi，zi)为已知的水听器坐标；c为平均声速；ti为声信号到达各水听器的时间；
步骤S2：控制第一发射换能器(11)和第二发射换能器(31)依次进行校准声信号发射，获得对应的船载短基阵(1)坐标系下的位置信息，同时由GPS天线111和GPS天线311分别获得第一发射换能器(11)和第二发射换能器(31)的绝对位置信息，获得坐标系之间的偏转参数矩阵，作为水声定位跟踪坐标转换时的精确修正数据；
步骤S3：水下目标(6)通过水下信标(5)的信号源发出声信号经水中传播，船载短基阵(1)的阵元接收，经功率放大器放大后传输至数据处理舱中的信号处理设备(4)，然后由模拟信号调理设备对水声信号进行放大调理、控制一系列处理后，传输至信号处理设备(4)进行数据处理分析，分别获得水下信标(5)相对于船载短基阵(1)和相对于大地的位置坐标；
所述步骤S3采用由三个水听器Sc、Sx、Sy构成平面三角形跟踪基阵，设三角形基阵顶点坐标(x0,y0)，基阵孔径对应长度分别为a、b、d，则有，
设目标位置为(x,y,z)，目标传输延时分别为t1、t2、t3，声速为c，代入公式(3)中则有，
解方程组得出，
设声传输介质是均匀不变的，利用纯数学公式便可直接获得目标深度的精确测量值；
步骤S4：最后带入船载短基阵(1)内部的姿态信息，船体姿态是由航向角、横滚角和俯仰角来定义的，船体姿态角的坐标系采用船体坐标系BFS，以船体重心为原点，Y轴指向船体运动的方向，X轴垂直与Y轴指向船体右侧，Z轴与X、Y轴正交形成右手坐标系，结合步骤S1获得的基阵孔径，
设定在测量过程中，基阵坐标系原点相对于大地坐标是静止的，并认为两个坐标系原点是相同或有固定偏移，偏移量(x0,y0,z0)，这样只需考虑基阵围绕坐标轴的转动便可；
设定基阵坐标系为oxyz，大地坐标系为OXYZ；基阵先绕Z轴转动Ф航向角，再绕Y轴转动α横滚角，再绕X轴转动β俯仰角；
目标在大地坐标系和系统基阵坐标系中的位置分别为X＝(X,Y,Z)和x＝(x,y,z)，坐标系统的修正和转换公式如下：
将水声定位系统测量相对于基阵的坐标数据，带入上述公式即可获得水下目标的大地坐标；最终获得水下目标的精确定位信息。
2.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：水声定位系统在测试/使用之前需要获知船载短基阵(1)与工作母船(2)坐标系的夹角，该过程称为“系统校准”，通过实时测量实航过程中的基阵姿态数据，结合上述夹角进行修正，最终获得水下目标的精确位置信息。
3.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：对目标深度信息采用双脉冲深度遥测，利用双脉冲间的时延差为目标深度进行编码；目标深度H，即为坐标z的计算式为
由公式(4)、(6)便可获得水下目标相对于船载短基阵(1)的位置坐标(x,y,z或H)；
目标深度H与之相对应的双脉冲时延差T存在如下公式：
其中双脉冲间的时延差T的最小值为Tmin,，代表目标最小深度Hmin；时延差最大值为Tmax，代表目标最大深度Hmax。
4.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声系统的定位方法，其特征在于：所述步骤S3中信号处理设备(4)的数据处理包括对声信号放大、调理、获取脉冲延时、对目标深度信息进行频率编码和脉冲间隔解调，以及对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正。
5.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：其定位系统的船载短基阵(1)与工作母船(2)通过刚性连接杆(3)固定连接，在船载短基阵(1)底部的中心位置和刚性连接杆(3)的入水端分别设有第一发射换能器(11)和第二发射换能器(31)，且在第一发射换能器(11)同一垂直线上方设有对应的GPS天线111，第二发射换能器(31)同一垂直线上方设有对应的GPS天线311；信号处理设备(2)设置于工作母船(2)上的数据处理舱(41)；水下信标(5)设置于水下目标(6)。
6.根据权利要求1或2所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：所述船载短基阵(1)与刚性连接杆(3)采用卡槽防差错结构，使船载短基阵(1)坐标系和工作母船(2)坐标系的夹角小于5°。
7.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：所述船载短基阵(1)中心为水密电子舱，发射换能器(11)、高精度姿态传感器及其他电子组件均安装在水密电子舱内；所述信号处理设备(4)包括模拟信号处理、数字信号处理、数据处理显控、航姿测量以及系统供电。
8.根据权利要求1所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：定位系统包括船载的发射换能器模组、GPS定位模组、信号处理模组，以及水下的水下目标组件，
水下目标组件，用于发出水声信号；发射换能器模组，用于接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号进行校准并发传输至信号处理模组；
GPS定位模组，用于获取发射换能器模组的绝对位置信息，作为水声定位跟踪解算基础数据,并输送至信号处理模组；
信号处理模组，用于接收发射换能器模组和GPS定位模组所发出的信号、信息，获得水下目标组件相对于发射换能器模组的位置坐标、绝对位置信息，并进行坐标系统的修正和转换，最终获得水下目标组件的精确定位信息。
9.根据权利要求8所述的一种智能化船载水声定位系统的定位方法，其特征在于：所述发射换能器模组还用于获取其自身的姿态信息并发传输至信号处理模组；
所述信号处理模组还用于结合所述姿态信息后，通过模拟信号调理对水声信号进行放大、调理之后，进水声脉冲信号帧行识别以及获得深度调制时延、频率后由数据处理显控设备对脉冲信号进行匹配、分组、定位结算、声线修正；
所述发射换能器模组中，通过至少两套换能器来接收水下目标组件发出的声信号，并对声信号依次进行校准并发传输至信号处理模组。
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