CN111948676A - 一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，本发明方法的优势在于长基线定位系统工作过程中，浮/潜标在向水下航行器发送自身信息时，先分析受海流因素影响的自身通信定位机实时位置，并将通信定位机实时位置发送给水下航行器，用于水下航行器的位置解算。本发明方法实时获取通信定位机的实际位置，消除由于海流等因素引起的浮/潜标通信定位机位置误差，提高定位精度。

Description

一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法
技术领域
本发明涉及长基线定位领域，主要是一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法。
背景技术
长基线定位系统常选用浮标或潜标作为定位基站。定位基站通过自身通信定位机与水下航行器进行数据交互，从而完成定位过程。水下航行器在进行自身位置解算时，需要定位基站通信定位机的位置信息。对于浮标定位基站，其安装北斗接收机，常将北斗接收机的位置作为浮标通信定位机的位置，用于水下航行器位置解算；对于潜标定位基站，水面船通过绝对校准法，测得潜标通信定位机的位置，之后一直用此位置近似潜标通信定位机的实际位置，解算水下航行器位置。
绝对校准法是一种基于到达时间的测量方法，它主要采用水面船搭载船载声纳对待测设备进行测量，水面船配备有卫星定位系统，然后通过测量信号由水面船到被测设备的时延信息，采用几何交汇的方法结算出待测设备的精确位置。
若通信定位机与浮/潜标其他设备采用刚性连接方式，当连接长度较短时，海面背景噪声较大，且多途反射效应较强，影响浮标通的信机通信效果；海底地貌复杂，可能导致潜标通信机功能失常。当连接长度较长时，增大了浮标或潜标海上施工难度，且易折断。所以长基线定位系统中，通信定位机与浮潜标其他设备采用软连接方式。
但是，通信定位机与浮/潜标定位基站其他设备采用软连接方式也存在一些问题。由于海流的作用，浮标通信定位机与北斗模块一般不在同一水平位置，通信定位机位置会随流偏移。此时仍以北斗接收机的位置信息作为通信定位机的位置，会产生定位基站位置误差。同样，潜标通信定位机的位置也会随着流向而变化，若将其位置设为固定值，同样会产生误差，影响水下航行器的定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，提供一种可实时监测浮/潜标通信定位机位置变化量，并进行校准的浮/潜标通信机定位方法，用于提高浮/潜标定位基站的精度，从而提高长基线定位系统精度。本发明的目的是这样实现的。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，包含如下步骤：
(1)、长基线定位系统中，在浮标上安装北斗接收机，浮标通过电缆连接通信定位机A，深度传感器A安装在通信定位机A上，海流计A安装在靠近通信定位机A的位置上；潜标通过电缆与通信定位机B的一端相连接，通信定位机B的另一端与坐底锚块连接，海流计B安装在靠近潜标的位置上，深度传感器B安装在通信定位机B上；
(2)利用绝对校准法，水面船计算得到当前潜标的通信定位机B的位置，并发送给潜标，潜标利用海流计B获得流向信息，利用深度传感器B获得通信定位机B的深度信息，计算得到潜标坐底锚块的精确位置；
(3)浮标从海流计A和深度传感器A获取流向与深度信息，并结合北斗接收机的位置，得到浮标通信定位机A的实时位置，潜标从海流计B和深度传感器B获取流向与深度信息，并结合坐底锚块的位置，得到潜标通信定位机B的实时位置；
(4)浮标或/和潜标将自身通信定位机的实时位置发送给水下航行器，水下航行器根据此信息和长基线定位方法，实现自身位置解算。
更进一步的，步骤(2)中，所述的潜标坐底锚块位置分析算法如下，
水面船测得当前潜标通信定位机B的位置(xi2,yi2,zi2)，潜标从海流计B和深度传感器B获取流向与深度为
Figure BDA0002547538360000021
(正北方向为0°)和hi，坐底锚块位置(xi1,yi1)为，
Figure BDA0002547538360000022
其中L为坐底锚块到通信定位机B间的缆绳长度，为固定值，
Figure BDA0002547538360000023
(x,y,z)为大地坐标系，其正北方向为x方向，正东方向为y方向，z为垂直海平面往下。
更进一步的，步骤(3)中，所用的潜标通信定位机B实时位置分析算法如下，
潜标实时从海流计B和深度传感器B获取流向与深度为
Figure BDA0002547538360000024
和h′i，其通信定位机B位置(x′i1,y′i1,h′i)计算公式为
Figure BDA0002547538360000025
其中L为坐底锚块到通信定位机B间的缆绳长度，为固定值，
Figure BDA0002547538360000026
与传统的水声长基线定位方法相比，本发明带来以下有益效果：
通过海流计分析浮/潜标通信定位机的实时位置，从而减小长基线定位系统中定位基站的位置误差，提高长基线系统的定位精度。
附图说明
图1为单个浮标定位基站示意图；
图2为单个潜标定位基站示意图；
图3为浮潜标联合主动导航模式示意图。
附图标记说明：浮标1，北斗接收机2，海流计A3，通信定位机A4，潜标5，海流计B6，通信定位机B7，坐底锚块8，释放器9，水下航行器10。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
主动导航模式(如图3所示)为询问应答模式，水下航行器发射导航定位请求信号，定位基站收到该信号后，打包自身通信定位机位置信息回复应答信号，水下航行器根据收到的应答信号解算出自身位置。
在一定区域布放浮标1或潜标5，构建长基线定位系统，如图3所示，在浮标1上安装北斗接收机2，浮标1通过电缆连接通信定位机A4，深度传感器A安装在通信定位机A4上，海流计A3安装在靠近通信定位机A4的位置上，如图1所示；潜标5安装海流计B6、深度传感器B、通信定位机B7和释放器9，潜标5通过电缆与通信定位机B7的一端相连接，通信定位机B7的另一端与坐底锚块8连接，海流计B6安装在靠近潜标5的位置上，深度传感器B安装在通信定位机B7上，如图2所示。海流计、深度传感器、北斗定位机(浮标)通过电缆与通信定位机相连，并将流向、深度、经纬度(浮标)信息通过电缆传递至通信定位机。
水面船通过绝对校准法，计算出当前潜标5的通信定位机B7的位置(xi2,yi2,zi2)，将此位置发送给潜标5。潜标通信机收到该信息后，立刻从海流计B6和深度传感器B获取流向
Figure BDA0002547538360000031
(正北方向为0°)与深度hi信息，分析出潜标坐底锚块8的位置(xi1,yi1,zi1)，并保存；
其中潜标坐底锚块的位置分析公式为
Figure BDA0002547538360000032
其中L为海底坐底锚块到通信定位机B缆绳长度，为固定值，
Figure BDA0002547538360000033
(x,y,z)为大地坐标系，其正北方向为x方向，正东方向为y方向，z为垂直海平面往下。
水下航行器在t_s0时刻发送导航定位请求信号，潜标收到来请求信号后，立刻从海流计B6和深度传感器B获取流向
Figure BDA0002547538360000034
与深度h′i信息，潜标结合坐底锚块的位置，分析得到潜标通信定位机B的实时位置(x′i1,y′i1,h′i)，计算公式如下，
Figure BDA0002547538360000035
其中L为海底坐底锚块到通信定位机B缆绳长度，
Figure BDA0002547538360000041
(x′i1,y′i1,h′i)为潜标通信定位机的实时位置。
浮标1收到来自水下航行器10的导航定位请求信号后，立刻从北斗接收机2获取该时刻实时经纬度信息，从海流计A和深度传感器A获取流向
Figure BDA0002547538360000042
与深度h′i信息。将北斗的经纬度结果转化到三维坐标系(x,y,z)中，L为通信定位机A到浮标的缆绳长度(与浮标的连接点在斗接收机2的正下方)，然后按照公式2，计算得到浮标通信定位机A的实时位置(x′i1,y′i1,h′i)。
各个浮标和潜标将通信定位机实时位置信息打包成定位信息后，延迟固定时间τ后，以互不重叠的频带发送给水下航行器。水下航行器收到不同定位基站的定位信息后，记录到达时间t_ri，解码得到定位基站的位置信息。根据以下方程(c为声速)
(xi1-xs)2+(yi1-ys)2+(zi1-zs)2＝c2[(t_ri-t_s0-τ)/2]2 (3)
解算出自身位置。
以上为本发明的部分实施例，尽管本发明的内容已经通过上述部分实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为时对本发明的限制。本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要来限定。

Claims (3)

1.一种浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，其特征在于：包含如下步骤：
(1)、长基线定位系统中，在浮标(1)上安装北斗接收机(2)，浮标(1)通过电缆连接通信定位机A(4)，深度传感器A安装在通信定位机A(4)上，海流计A(3)安装在靠近通信定位机A(4)的位置上；潜标(5)通过电缆与通信定位机B(7)的一端相连接，通信定位机B(7)的另一端与坐底锚块(8)连接，海流计B(6)安装在靠近潜标(5)的位置上，深度传感器B安装在通信定位机B(7)上；
(2)利用绝对校准法，水面船计算得到当前潜标(5)的通信定位机B(7)的位置，并发送给潜标(5)，潜标(5)利用海流计B(6)获得流向信息，利用深度传感器B获得通信定位机B(7)的深度信息，计算得到潜标坐底锚块(8)的精确位置；
(3)浮标(1)从海流计A(3)和深度传感器A获取流向与深度信息，并结合北斗接收机(2)的位置，得到浮标通信定位机A(4)的实时位置，潜标(5)从海流计B(6)和深度传感器B获取流向与深度信息，并结合坐底锚块(8)的位置，得到潜标通信定位机B(7)的实时位置；
(4)浮标(1)或/和潜标(5)将自身通信定位机的实时位置发送给水下航行器(10)，水下航行器(10)根据此信息和长基线定位方法，实现自身位置解算。
2.根据权利要求1所述的浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的潜标坐底锚块(8)位置分析算法如下，
水面船测得当前潜标通信定位机B(7)的位置(xi2,yi2,zi2)，潜标从海流计B(6)和深度传感器B获取流向与深度为
Figure FDA0002547538350000011
(正北方向为0°)和hi，坐底锚块位置(xi1,yi1)为，
Figure FDA0002547538350000012
其中L为坐底锚块到通信定位机B间的缆绳长度，为固定值，
Figure FDA0002547538350000013
(x,y,z)为大地坐标系，其正北方向为x方向，正东方向为y方向，z为垂直海平面往下。
3.根据权利要求1所述的浮潜标长基线定位系统中参考基元位置实时获取方法，其特征在于：步骤(3)中，所用的潜标通信定位机B实时位置分析算法如下，
潜标实时从海流计B和深度传感器B获取流向与深度为
Figure FDA0002547538350000014
和h′i，其通信定位机B位置(x′i1,y′i1,h′i)计算公式为
Figure FDA0002547538350000015
其中L为坐底锚块到通信定位机B间的缆绳长度，为固定值，
Figure FDA0002547538350000016
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