CN111812694A - 一种长基线船载定位装置及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种长基线船载定位装置及其定位方法。所述船载定位装置包括水声通讯模块和数据处理模块；所述水声通讯模块分别与定位基阵和数据处理模块连接，用于向所述定位基阵发送水声指令，以及接收所述定位基阵返回的应答信号，并将所接收到的应答信号发送至数据处理模块；所述数据处理模块用于获取所述船体的DGPS、姿态以及声速信息，根据所述DGPS、姿态以及声速信息对所述发送水声指令以及所述接收应答信号时的船体位置以及声速进行校准和修正后，对所述水声通讯模块接收到的应答信号进行解算，获取所述定位基阵或海底应答设备的位置信息。本申请实施例避免了船体位置误差带来的不良影响，提高了定位精度的同时，并提高了船载定位装置的集成度和兼容性。

Description

一种长基线船载定位装置及其定位方法

技术领域

本申请属于水下定位技术领域，特别涉及一种长基线船载定位装置及其定位方法。

背景技术

长基线定位系统由于作用范围大，定位精度高，在海洋资源开发、国防建设等多方面得到了广泛应用。基线阵一般由四个或四个以上基阵组成，通过测量定位目标与各基阵间进行询问应答的时延差，得到目标到各基阵之间的距离，通过测量交会完成目标定位。

基阵的定位精度直接影响着整个定位系统的准确性，船载定位系统作为长基线定位系统中的核心部分，承担着长基线基阵校准、海底应答设备的位置监测、指令下达、系统布放回收等功能。在长基线定位作业前，首先要对海底基阵进行位置校准，其定位通常采用走航式方式对基阵进行多次询问应答，为了能更准确得到各基阵位置信息，在校准过程中需要将差分GPS接收机、方位姿态仪、电罗经、声速等多种设备信息融入在定位过程中修正因船体运动和姿态位置带来的影响。

目前，现有船载定位系统大多采用定制方式固定在专用船只，定位精度易受动力以及水流等因素的影响，且集成度低，兼容性差，系统结构复杂，无法满足灵活多变的应用需要。然而随着海洋装备发展，目前大多数船只都带有GPS定位和姿态测量系统，如何利用现有条件研究一整套便携式船载定位系统以解决长基线定位需求具有重要意义。

发明内容

本申请实施例提供了一种长基线船载定位装置及其定位方法，旨在解决现有技术中的船载定位系统定位精度易受动力以及水流等因素的影响，且集成度低、兼容性差、系统结构复杂的技术问题。

为了解决上述问题，本申请提供了如下技术方案：

一种长基线船载定位装置，所述船载定位装置安装于带有GPS定位和姿态测量系统的船体上，且所述船载定位装置包括水声通讯模块和数据处理模块；

所述水声通讯模块分别与定位基阵和数据处理模块连接，用于向所述定位基阵发送水声指令，以及接收所述定位基阵返回的应答信号，并将所接收到的应答信号发送至数据处理模块；

所述数据处理模块用于获取所述船体的DGPS、姿态以及声速信息，根据所述DGPS、姿态以及声速信息对所述发送水声指令以及所述接收应答信号时的船体位置以及声速进行校准和修正后，对所述水声通讯模块接收到的应答信号进行解算，获取所述定位基阵或海底应答设备的位置信息。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述水声通讯模块包括换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器，所述换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器依次连接；所述换能器用于向所述定位基阵发送声学指令以及接收所述定位基阵返回的应答信号，并将所述应答信号转换为微弱电信号，通过所述带通滤波器对所述电信号进行选频放大，并经所述模拟放大器进行信号放大以及所述模数转换器进行模数转化后，将所述电信号发送至所述数据处理模块进行解算。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述数据处理模块包括：

数据接口单元：用于通过接口获取所述船体的DGPS、姿态及声速信息，并将所述获取的数据发送至主控处理单元；

主控处理单元：用于利用所述DGPS和姿态信息对所述水声通讯模块收发水声信号时的船体位置进行校准，并对所述水声通讯模块接收到的水声信号进行处理和解算后，基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算所述船载定位装置与所述定位基阵之间的距离，通过测距应答解算出所述定位基阵的位置，并根据所述海底应答设备与所述定位基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息；

存储单元：用于存储所述主控处理单元的解算结果。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控处理单元利用DGPS和姿态信息对船体位置进行校准包括：

将所述发送水声指令以及所述接收应答信号时刻所述船体位置的经纬度坐标转变为平面坐标；

根据所述发送水声指令以及所述接收应答信号时刻所述船体的位置信息和姿态信息将船体坐标系X’＝(X’，Y’，Z’)^T转化为平面坐标系X＝(X，Y，Z)^T：

上式中，α为船体绕Y轴转动的横滚角，β为船体绕X轴转动的俯仰角，θ为船体绕Z轴转动的航向角；

基于所述平面坐标系对每完成一次测距应答的船体位置P＝(x0，y0)^T进行校正：

上式中，x₂、y₂为所述接收应答信号时的船体位置信息、x₁、y₁为所述发送水声指令时的船体位置信息。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控处理单元基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离包括：

根据所述船载定位装置接收到的时延差和声速信息，将声速按照设定的厚度等效分层；

设置声线入射角θ的上限p、下限q和误差精度Q；

设置初始声线入射角θ₀＝0.5*(p+q)，并执行以下迭代计算：

根据声速和测量时延计算定位目标所在层位n；

根据平均声速法，利用Snell定律计算每层声线的入射角、传播时间以及对应的水平传播距离：

上式中，C为常数，θ₀为声波与表层的初始入射角，θ_i为声线在i层对应的入射角，v₀为入射层表面的声速，v_i为声线在i层对应的声速，h_i为声线第i层传播的垂直距离，t_i为第i层传播时间，r_i为第i层水平传播距离；

当声线到达定位目标n层时，计算声线到达n层的垂直距离与等效分层中定位目标所在n层与n-1层的垂直距离的误差项ε：

ε＝t_ncosθ_nv_n-(h-h_n-1)

上式中，t_n为声线到达n层的传播时间，θ_n为n层的声线入射角，v_n为n层的声速，h为定位目标所在的垂直距离；

判断|ε|≤Q是否成立，如果成立，迭代结束，根据每层声线入射角计算船载定位装置到定位基阵的水平投影距离R：

如果不成立，调整所述入射角的上限或下限并重新执行迭代计算。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控处理单元通过所述测距应答解算出所述定位基阵的位置包括：

利用球面交汇模型，在所述船载定位装置与所述定位基阵完成设定次数的测距应答后，根据所述应答信息解算出所述定位基阵的位置：

((x_i-x_s)²+(y_i-y_s)²+(z_i-z_s)²)＝R_i

上式中，i＝1，2，…N，s为船载定位装置与定位基阵完成的测距应答次数，(x_i，y_i，z_i)为所述船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时船体所在的位置，R_i为所述船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时两者之间的距离，(x_s，y_s，z_s)为所述定位基阵所在的位置。

本申请实施例采取的技术方案还包括：所述主控处理单元根据所述海底应答设备与所述定位基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息包括：

根据四象限法则将所述船载定位装置与定位基阵的测距分成四组，当四个象限满足一组解算方程时，通过排列组合取得

组解算结果，并判断每组解算结果的标准差σ是否满足：

上式中，x_i为每组解算方程通过排列组合得到的第i组解，

为4组解算结果的平均值，σ(r)为四象限中第r组解算方程的第r个标准差结果；

假设四个象限有r组解算方程并得到r个标准差，则选择所述标准差最小的一组解算结果的平均值作为所述定位基阵所在位置的最终目标解。

本申请实施例采取的技术方案还包括显控模块，所述显控模块包括：

参数配置单元：与所述数据接口单元连接，用于将所述船体的DGPS、姿态及声速信息通过数据接口接入到数据接口单元并进行对应的配置；

固件升级单元：与所述主控处理单元连接，用于对所述主控处理单元进行固件升级和调试；

信息交互单元：与所述主控处理单元连接，用于根据所述DGPS、姿态及声速信息显示所述船体的位置信息，并对所述海底应答设备进行水声指令的下发；

无线数传单元：与所述主控处理单元连接，用于接收所述定位基阵或海底应答设备释放回收时发送的GPS位置信息。

本申请实施例采取的技术方案还包括电源模块，所述电源模块分别与水声通讯模块、数据处理模块和显控模块连接，用于向所述水声通讯模块、数据处理模块和显控模块供电。

本申请实施例采取的另一技术方案为：一种长基线船载定位装置的定位方法，包括：

步骤a、通过所述船载定位装置向定位基阵发送声学指令，并接收所述定位基阵返回的应答信号；

步骤b、获取安装所述船载定位装置的船体的DGPS、姿态以及声速信息；

步骤c、根据所述DGPS、姿态以及声速信息对所述发送声学指令以及所述接收应答信号时的船体位置以及声速进行校准和修正后，对所述接收到的应答信号进行解算，获取所述定位基阵或海底应答设备的位置信息。

相对于现有技术，本申请实施例产生的有益效果在于：本申请实施例的长基线船载定位装置及其定位方法利用船体自带的DGPS、姿态以及声速信息等数据对定位过程中的船体位置进行校准，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离，并根据海底应答设备与不同基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息，实现海底应答设备的精确定位。本申请实施例消除了在发射水声信号和接收应答信号时船体由于受动力以及水流等影响产生的船体位移变化，避免了船体位置误差带来的不良影响，在提高定位精度的同时，极大的减轻船载定位装置的系统复杂度和能源消耗，提高了船载定位装置的集成度和兼容性。

附图说明

图1是本申请实施例的长基线船载定位装置的结构示意图；

图2是本申请实施例的计算船载定位装置到时标定位基阵距离方法示意图；

图3是本申请实施例的长基线船载定位装置的定位方法示意图；

图4是本申请实施例的船载声学装置对时标定位基阵进行应答测距操作示意图；

图5是本申请实施例的船载定位装置对海底应答设备的定位示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，是本申请实施例的长基线船载定位装置的结构示意图。本申请实施例的长基线船载定位装置安装于带有GPS定位和姿态测量系统的船体上，其包括水声通讯模块、数据处理模块、显控模块和电源模块。其中，水声通讯模块与水下定位基阵和数据处理模块连接，用于船载定位装置与水下定位基阵之间的水声通讯，并将水下定位基阵返回的水声信号发送给数据处理模块；数据处理模块用于获取船体的DGPS(Differential GlobalPosition System，差分全球定位系统)、姿态以及声速信息等数据，根据获取到的数据对收发水声信号时的船体位置以及声速进行校准和修正，并对水声通讯模块接收到的水声信号进行解算后，获取该水声信号对应的定位基阵或/和海底应答设备的位置信息；显控模块与数据处理模块连接，用于对数据处理模块进行参数配置、固件升级、以及与数据处理模块的指令下达和信息交互等操作；电源模块分别与水声通讯模块、数据处理模块和显控模块连接，用于向各模块供电。

具体的，水声通讯模块包括换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器；其中，换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器依次连接。换能器为收发换能器，用于船载声学装置与定位基阵或海底应答设备之间的应答和询问功能，向定位基阵发送声学指令(包括测距指令、工作模式转换指令和释放回收指令)，接收定位基阵返回的应答信号(水声信号)，并通过压电转换将接收到的水声信号转换为微弱电信号，通过带通滤波器对电信号进行选频放大，然后经过模拟放大器进行信号放大以及模数转换器进行模数转化后，将电信号发送至数据处理模块进行定位基阵或海底应答设备的位置解算。

上述中，本申请实施例通过带通滤波器对微弱电信号进行选频放大处理，提高可探测声压信号能力的同时，还可压制噪声干扰。

本申请实施例中，换能器向定位基阵发送的声学指令为FSK编码信号。当船载声学装置向时标定位基阵发送声学指令时，为了适应海上复杂的海洋环境和多途效应影响，发送信号采用本振频率为9KHz和11.5KFSK编码联合调制，具体为：当船载定位装置向定位基阵发送测距指令时，按照预设的第一间隔时间(本申请实施例中优选设置为150ms)间隔发送固定脉冲时长(本申请实施例中优选设置为10ms)的编码频率信号，水声通讯模块以在接收到第一个编码频率信号后，在到达脉冲时长时关闭信号采集并进行信号解调，然后根据预设的第二间隔时间(本申请实施例中优选设置为100ms)打开信号通道再次接收信号并进行信号解调，在到达脉冲时长后再次关闭信号采集进行信号解调，如此反复操作直到该码字节结束。

换能器接收的应答信号包括FSK应答信息和FSK+Chirp通讯数据。当时标定位基阵向船载定位装置发送通讯信息时，为了适应海上复杂的海洋环境和多途效应影响，时标定位基阵采用Chirp和FSK编码联合调制进行发送，当水声通讯模块接收到通讯数据包中以10KHz和12.5KHz的FSK编码作为标识码后，对后续的数据码和校验码按照Chirp调频信号进行解码得到对应的时延信息。

数据处理模块包括数据接口单元、主控处理单元和存储单元；

数据接口单元与主控处理单元电性连接，用于通过接口或其他外接设备获取船体本身的DGPS、姿态及声速信息等数据，并将获取的数据发送至主控处理单元；

主控处理单元用于利用DGPS和姿态信息对水声通讯模块收发水声信号时的船体位置进行校准，并对水声通讯模块接收到的水声信号进行处理和解算后，基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离，并当船载定位装置与定位基阵完成设定次数的测距应答后解算出定位基阵的位置，然后根据海底应答设备与不同基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息，完成海底应答设备的定位。

存储单元与主控处理单元电性连接，用于将位置解算过程中相关设备的状态信息和解算结果进行存储，形成日志文件。

进一步地，本申请实施例中，主控处理单元利用DGPS和姿态信息对船体位置进行校准具体包括：

第一步、将水声信号收发时刻船体所在位置的经纬度坐标转变为平面坐标；

第二步、根据水声信号收发时刻船体所在的位置信息和姿态信息将船体坐标系X’＝(X’，Y’，Z’)^T转化为平面坐标系X＝(X，Y，Z)^T，转换公式为：

式(1)中，α为船体绕Y轴转动的横滚角，β为船体绕X轴转动的俯仰角，θ为船体绕Z轴转动的航向角。

第三步、基于转换后的平面坐标系，对每完成一次测距应答时的船体位置P＝(x0，y0)^T进行校正：

式(2)中，x₂、y₂为接收到水声应答信号时刻的船体位置信息、x₁、y₁为发送水声信号时刻的船体位置信息。

通过以上的船体位置校准处理，消除了在发射水声信号和接收应答信号时船体由于受动力以及水流等影响产生的船体位移变化，避免了船体位置误差带来的不良影响。

进一步地，请一并参阅图2，是本申请实施例的计算船载定位装置到时标定位基阵距离方法示意图；本申请实施例中，主控处理单元基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离具体包括：

第一步、根据船载定位装置接收到的时延差和声速信息，将声速按照一定的厚度等效分层；

第二步、设置声线入射角θ的上限p、下限q(入射角θ的上、下限区间范围为0°-90°)和误差精度Q；

第三步、设置初始声线入射角θ₀＝0.5*(p+q)，并执行以下步骤的迭代计算：

第四步、根据声速和测量时延计算定位目标所在层位n；

第五步、根据平均声速法，利用Snell(声(光)波折射定律)定律计算每层声线的入射角、传播时间以及对应的水平传播距离：

式(3)至(6)中，C为常数，θ₀为声波与表层的初始入射角，θ_i为声线在i层对应的入射角，v₀为入射层表面的声速，v_i为声线在i层对应的声速，h_i为声线第i层传播的垂直距离，t_i为第i层传播时间，r_i为第i层水平传播距离。

第六步、当声线到达定位目标n层时，计算声线到达n层的垂直距离与等效分层中定位目标所在n层与n-1层的垂直距离的误差项ε：

ε＝t_ncosθ_nv_n-(h-h_n-1) (7)

式(7)中，t_n为声线到达n层的传播时间，θ_n为n层的声线入射角，v_n为n层的声速，h为定位目标所在的垂直距离。

第七步、判断|ε|≤Q是否成立，如果成立，执行第八步，否则，执行第九步；

第八步、迭代结束，根据每层声线入射角计算船载定位装置到定位基阵的水平投影距离R：

第九步、调整入射角的上限或下限并重新执行第三步；具体为：判断ε＜0是否成立，如果成立，表明初始入射角θ₀大于实际值，调整入射角上限并重新执行迭代计算；如果不成立，表明初始入射角θ₀小于实际值，则调整入射角下限并重新执行迭代计算。

进一步地，本申请实施例中，主控处理单元根据应答信息解算出定位基阵的位置具体为：

利用球面交汇模型，当船载定位装置与定位基阵完成设定次数(本申请实施例优选设定为三次以上，具体次数可根据实际操作进行设定)的测距应答后，根据应答信息解算出定位基阵的位置：

((x_i-x_s)²+(y_i-y_s)²+(z_i-z_s)²)＝R_i (9)

式(9)中，i＝1，2，…N，s为船载定位装置与定位基阵完成的测距应答次数，(x_i，y_i，z_i)为船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时船体所在的位置，R_i为船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时两者之间的距离，(x_s，y_s，z_s)为定位基阵所在的位置。

进一步地，本申请实施例中，主控处理单元根据海底应答设备与不同基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息具体为：

当船载声学装置通过走航式定位方式对每个定位基阵分别进行测距应答操作后，根据四象限法则将船载定位装置与定位基阵的测距分成四组进行解算，当四个象限满足一组解算方程时，通过排列组合取得

组解算结果，并判断每组解算结果的标准差σ是否满足以下公式：

式(10)中，x_i为每组解算方程通过排列组合得到的第i组解，

为4组解算结果的平均值，σ(r)为四象限中第r组解算方程的第r个标准差结果。

当四个象限有r组解算方程并会得到r个标准差，则选择标准差最小的一组解算结果的平均值作为定位基阵所在位置的最终目标解。

本申请实施例中，显控模块与数据处理模块电性连接，其具体包括参数配置单元、固件升级单元、信息交互单元和无线数传单元；

参数配置单元与数据处理模块中的数据接口单元电性连接，用于将船载已有的DGPS、姿态及声速信息通过数据接口接入到数据接口单元并进行对应的配置，使得数据接口单元可以通过数据接口获取到DGPS、姿态及声速信息等数据；

固件升级单元与数据处理模块中的主控处理单元电性连接，用于对主控处理单元进行固件升级和调试等操作；

信息交互单元与主控处理单元电性连接，用于根据船载的DGPS、姿态及声速信息等数据实时显示船体的位置信息，并通过信息交互对海底应答设备进行释放回收等水声指令的下发操作；

无线数传单元与主控处理单元电性连接，用于接收定位基阵或海底应答设备释放回收时发送的GPS位置信息，并与海上其他设备进行无线电数据传输，为后续船载定位装置提供功能扩展。

进一步地，如果船载本身没有声速信息，则通过外置的CTD(温盐深剖面仪)或声速剖面仪采集工作区域的声速信息，并将采集到的声速信息导入到船载定位装置的显控模块进行声速修正后，将修正后的声速信息发送至数据处理模块进行位置解算，从而提高定位精度，大大减少目前水下定位系统繁杂的系统结构和使用要求，极大的减轻设备的复杂度和能源消耗。

请参阅图3，是本申请实施例的长基线船载定位装置的定位方法示意图，其具体包括以下步骤：

S1、将船载已有的DGPS、姿态、声速信息等数据接口接入到船载定位装置数据输入接口并进行对应的配置；

其中，如果船载系统本身没有采集声速信息，可以通过外置CTD或声速剖面仪对工作区域进行声速采集后，将对应的声速文件导入到船载定位装置的显控单元进行后期的声速修正；

S2、根据确定的投放区域以及投放数量将长基线定位基阵投放至海底后，船载声学装置通过走航式定位方式对每个定位基阵分别进行应答测距操作(如图3所示)；

S3、根据船体的DGPS及姿态信息对船载定位装置与定位基阵进行水声通讯时的船体位置进行校准；

在一些较佳的实施例中，对船载定位装置与定位基阵进行水声通讯时的船体位置进行校准具体包括以下步骤：

S31、将船载定位装置收发水声信号时船体所在位置的经纬度坐标转变为平面坐标；

S32、根据收发水声信号时船体所在的位置信息和姿态信息，将船体坐标系X’＝(X’，Y’，Z’)^T转化为平面坐标系X＝(X，Y，Z)^T：

式(1)中，α为船体绕Y轴转动的横滚角，β为船体绕X轴转动的俯仰角，θ为船体绕Z轴转动的航向角。

S33、对船体完成一次应答的位置P＝(x0，y0)^T进行校正：

式(2)中，x₂、y₂为接收到水声应答信号时刻的船体位置信息、x₁、y₁为发送水声信号时刻的船体位置信息。

S4、基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离(如图4所示)；

在一些较佳的实施例中，基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离具体包括：

第一步、根据船载定位装置接收到的时延差和声速信息，将声速按照一定的厚度等效分层；

第二步、设置声线入射角θ的上限p、下限q(入射角θ的上、下限区间范围为0°-90°)和误差精度Q；

第三步、设置初始声线入射角θ₀＝0.5*(p+q)，并执行以下步骤的迭代计算：

第四步、根据声速和测量时延计算定位目标所在层位n；

第五步、根据平均声速法，利用Snell(光的折射定律)定律计算每层声线的入射角、传播时间以及对应的水平传播距离：

式(3)至(6)中，C为常数，θ₀为声波与表层的初始入射角，θ_i为声线在i层对应的入射角，v₀为入射层表面的声速，v_i为声线在i层对应的声速，h_i为声线第i层传播的垂直距离，t_i为第i层传播时间，r_i为第i层水平传播距离。

第六步、当声线到达定位目标n层时，计算声线到达n层的垂直距离与等效分层中定位目标所在n层与n-1层的垂直距离的误差项ε：

ε＝t_ncosθ_nv_n-(h-h_n-1) (7)

式(7)中，t_n为声线到达n层的传播时间，θ_n为n层的声线入射角，v_n为n层的声速，h为定位目标所在的垂直距离。

第七步、判断|ε|≤Q是否成立，如果成立，执行第八步，否则，执行第九步；

第八步、迭代结束，根据每层声线入射角计算船载定位装置到定位基阵的水平投影距离R：

第九步、调整入射角的上限或下限并重新执行第三步；具体为：判断ε＜0是否成立，如果成立，表明初始入射角θ₀大于实际值，调整入射角上限并重新执行迭代计算；如果不成立，表明初始入射角θ₀小于实际值，则调整入射角下限并重新执行迭代计算。

S5、利用球面交汇模型，当船载定位装置与定位基阵完成设定次数的测距应答信息后，根据应答信息解算出定位基阵的位置：

((x_i-x_s)²+(y_i-y_s)²+(z_i-z_s)²)＝R_i (9)

式(9)中，i＝1，2，…N，s为船载定位装置与定位基阵完成的测距应答次数，(x_i，y_i，z_i)为船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时船体所在的位置，R_i为船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时两者之间的距离，(x_s，y_s，z_s)为定位基阵所在的位置。

S6、当船载声学装置通过走航式定位方式对每个定位基阵分别进行测距应答操作后，根据四象限法则将船载定位装置与定位基阵的测距分成四组进行解算，当四个象限满足一组解算方程时，通过排列组合取得

组解算结果，并判断每组解算结果的标准差σ是否满足以下公式：

式(10)中，x_i为每组解算方程通过排列组合得到的第i组解，

为4组解算结果的平均值，σ(r)为四象限中第r组解算方程的第r个标准差结果。

当四个象限有r组解算方程会得到r个标准差，则选择标准差最小的一组解算结果的平均值作为定位基阵所在位置的最终目标解。

S7、船载定位装置接收海底应答设备与各个定位基阵间测距应答的时延差(如图5所示)，根据时延差和声速信息解算出海底应答设备所在的位置信息，完成海底应答设备的定位。

本申请实施例的长基线船载定位装置及其定位方法利用船体自带的DGPS、姿态以及声速信息等数据对定位过程中的船体位置进行校准，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离，并根据海底应答设备与不同基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息，实现海底应答设备的精确定位。本申请实施例消除了在发射水声信号和接收应答信号时船体由于受动力以及水流等影响产生的船体位移变化，避免了船体位置误差带来的不良影响，在提高定位精度的同时，极大的减轻船载定位装置的系统复杂度和能源消耗，提高了船载定位装置的集成度和兼容性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本申请所示的这些实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种长基线船载定位装置，其特征在于，所述船载定位装置安装于带有GPS定位和姿态测量系统的船体上，且所述船载定位装置包括水声通讯模块和数据处理模块；

所述水声通讯模块分别与定位基阵和数据处理模块连接，用于向所述定位基阵发送水声指令，以及接收所述定位基阵返回的应答信号，并将所接收到的应答信号发送至数据处理模块；

所述数据处理模块用于获取所述船体的DGPS、姿态以及声速信息，根据所述DGPS、姿态以及声速信息对所述发送水声指令以及所述接收应答信号时的船体位置以及声速进行校准和修正后，对所述水声通讯模块接收到的应答信号进行解算，获取所述定位基阵或海底应答设备的位置信息。

2.根据权利要求1所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述水声通讯模块包括换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器，所述换能器、带通滤波器、模拟放大器、模数转换器依次连接；所述换能器用于向所述定位基阵发送声学指令以及接收所述定位基阵返回的应答信号，并将所述应答信号转换为微弱电信号，通过所述带通滤波器对所述电信号进行选频放大，并经所述模拟放大器进行信号放大以及所述模数转换器进行模数转化后，将所述电信号发送至所述数据处理模块进行解算。

3.根据权利要求2所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述数据处理模块包括：

数据接口单元：用于通过接口获取所述船体的DGPS、姿态及声速信息，并将所述获取的数据发送至主控处理单元；

主控处理单元：用于利用所述DGPS和姿态信息对所述水声通讯模块收发水声信号时的船体位置进行校准，并对所述水声通讯模块接收到的水声信号进行处理和解算后，基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算所述船载定位装置与所述定位基阵之间的距离，通过测距应答解算出所述定位基阵的位置，并根据所述海底应答设备与所述定位基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息；

存储单元：用于存储所述主控处理单元的解算结果。

4.根据权利要求3所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述主控处理单元利用DGPS和姿态信息对船体位置进行校准包括：

将所述发送水声指令以及所述接收应答信号时刻所述船体位置的经纬度坐标转变为平面坐标；

根据所述发送水声指令以及所述接收应答信号时刻所述船体的位置信息和姿态信息将船体坐标系X’＝(X’，Y’，Z’)^T转化为平面坐标系X＝(X，Y，Z)^T：

上式中，α为船体绕Y轴转动的横滚角，β为船体绕X轴转动的俯仰角，θ为船体绕Z轴转动的航向角；

基于所述平面坐标系对每完成一次测距应答的船体位置P＝(x0，y0)^T进行校正：

上式中，x₂、y₂为所述接收应答信号时的船体位置信息、x₁、y₁为所述发送水声指令时的船体位置信息。

5.根据权利要求4所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述主控处理单元基于声线传播规律，根据时延差和声速信息计算船载定位装置到定位基阵之间的距离包括：

根据所述船载定位装置接收到的时延差和声速信息，将声速按照设定的厚度等效分层；

设置声线入射角θ的上限p、下限q和误差精度Q；

设置初始声线入射角θ₀＝0.5*(p+q)，并执行以下迭代计算：

根据声速和测量时延计算定位目标所在层位n；

根据平均声速法，利用Snell定律计算每层声线的入射角、传播时间以及对应的水平传播距离：

上式中，C为常数，θ₀为声波与表层的初始入射角，θ_i为声线在i层对应的入射角，v₀为入射层表面的声速，v_i为声线在i层对应的声速，h_i为声线第i层传播的垂直距离，t_i为第i层传播时间，r_i为第i层水平传播距离；

当声线到达定位目标n层时，计算声线到达n层的垂直距离与等效分层中定位目标所在n层与n-1层的垂直距离的误差项ε：

ε＝t_ncosθ_nv_n-(h-h_n-1)

上式中，t_n为声线到达n层的传播时间，θ_n为n层的声线入射角，v_n为n层的声速，h为定位目标所在的垂直距离；

判断|ε|≤Q是否成立，如果成立，迭代结束，根据每层声线入射角计算船载定位装置到定位基阵的水平投影距离R：

如果不成立，调整所述入射角的上限或下限并重新执行迭代计算。

6.根据权利要求5所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述主控处理单元通过所述测距应答解算出所述定位基阵的位置包括：

利用球面交汇模型，在所述船载定位装置与所述定位基阵完成设定次数的测距应答后，根据所述应答信息解算出所述定位基阵的位置：

((x_i-x_s)²+(y_i-y_s)²+(z_i-z_s)²)＝R_i

上式中，i＝1，2，…N，s为船载定位装置与定位基阵完成的测距应答次数，(x_i，y_i，z_i)为所述船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时船体所在的位置，R_i为所述船载定位装置与定位基阵在第i次测距应答时两者之间的距离，(x_s，y_s，z_s)为所述定位基阵所在的位置。

7.根据权利要求6所述的长基线船载定位装置，其特征在于，所述主控处理单元根据所述海底应答设备与所述定位基阵间测距应答的时延差解算出海底应答设备的位置信息包括：

根据四象限法则将所述船载定位装置与定位基阵的测距分成四组，当四个象限满足一组解算方程时，通过排列组合取得

组解算结果，并判断每组解算结果的标准差σ是否满足：

上式中，x_i为每组解算方程通过排列组合得到的第i组解，

为4组解算结果的平均值，σ(r)为四象限中第r组解算方程的第r个标准差结果；

假设四个象限有r组解算方程并得到r个标准差，则选择所述标准差最小的一组解算结果的平均值作为所述定位基阵所在位置的最终目标解。

8.根据权利要求3所述的长基线船载定位装置，其特征在于，还包括显控模块，所述显控模块包括：

参数配置单元：与所述数据接口单元连接，用于将所述船体的DGPS、姿态及声速信息通过数据接口接入到数据接口单元并进行对应的配置；

固件升级单元：与所述主控处理单元连接，用于对所述主控处理单元进行固件升级和调试；

信息交互单元：与所述主控处理单元连接，用于根据所述DGPS、姿态及声速信息显示所述船体的位置信息，并对所述海底应答设备进行水声指令的下发；

无线数传单元：与所述主控处理单元连接，用于接收所述定位基阵或海底应答设备释放回收时发送的GPS位置信息。

9.根据权利要求8所述的长基线船载定位装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块分别与水声通讯模块、数据处理模块和显控模块连接，用于向所述水声通讯模块、数据处理模块和显控模块供电。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的长基线船载定位装置的定位方法，其特征在于，包括：

步骤a、通过所述船载定位装置向定位基阵发送声学指令，并接收所述定位基阵返回的应答信号；

步骤b、获取安装所述船载定位装置的船体的DGPS、姿态以及声速信息；

步骤c、根据所述DGPS、姿态以及声速信息对所述发送声学指令以及所述接收应答信号时的船体位置以及声速进行校准和修正后，对所述接收到的应答信号进行解算，获取所述定位基阵或海底应答设备的位置信息。

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