CN111948685B - 一种浮标基组合基线水声定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种浮标基组合基线水声定位方法，浮标上安装超短基线设备，用于获取自身通信定位机相对于浮标平台的实时位置；安装姿态方位仪，用于校准超短基线设备姿态，以获取通信定位机实时绝对位置信息；在定位过程中，通过超短基线原理，浮标实时估计自身通信定位机的精确位置，提高浮标基站位置精度。本发明方法在水下航行器定位过程中，同时运用超短基线原理和长基线原理，以消除海流对通信定位机位置的影响，提高水下航行器定位精度。

Description

一种浮标基组合基线水声定位方法
技术领域
本发明涉及水下定位领域，主要是一种浮标基组合基线水声定位方法。
背景技术
长基线定位系统是水下定位领域常用的方法，具有作用距离远、定位精度高等特点。长基线定位系统按水下航行器是否发声，分为主动定位和被动定位两种模式。这两种工作方式都以浮标为定位基站，其中主动定位模式为水下航行器发送主动定位信号，周边水域布放的浮标收到该信号后，将自身位置信息，打包转发给岸基服务器，由服务器解算出水下航行器位置；被动定位模式为浮标向水下航行器同步发射被动定位信号，其中包含自身位置信息，水下航行器收到多个浮标定位信号后，解算自身位置。
浮标通过自身通信定位机与水下航行器进行数据交互，完成水声定位过程，而水声定位过程所需要定位基站位置信息对应浮标通信定位机的真实位置，该位置通常由安装在浮标平台上的北斗接收机实时获取。浮标通信定位机与浮标平台通常为软连接，这是由于刚性连接情况下，如果通信定位机入水较较深，会造成海上施工困难，且由于海面起伏，易被折断；如果通信定位机入水较较浅，此时海面噪声较大且多途反射效应较强，影响定位信号传输效果。
但是，通信定位机与浮标平台软连接也存在一些问题。由于海流的作用，水声定位过程中，浮标的通信定位机并不在浮标平台的正下方，会偏出一定角度。此时仍以北斗接收机的位置作为其通信定位机的位置，会产生误差，影响水声定位精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种浮标基组合基线水声定位方法，浮标采用软连接方式，通过超短基线消除海流因素对浮标通信定位机的影响，提高定位精度。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种浮标基组合基线水声定位方法，包含如下步骤：
1、海面布设至少4套以上的浮标，每套浮标安装北斗定位接收机、水声超短基线设备、姿态方位仪和通信定位机，其中，超短基线设备包含超短基线收发阵和超短基线应答器，北斗定位接收机和姿态方位仪安装在浮标上并通过电缆分别与通信定位机相连，通信定位机悬挂在浮标下方，超短基线收发阵安装在北斗定位接收机的正下方，超短基线应答器安装于通信定位机上或靠近通信定位机的位置；基阵坐标系与浮标平台坐标系一致，坐标中心的水平位置对应北斗定位接收机位置一致；
2、利用超短基线设备测量得到超短基线应答器在基阵坐标系下的位置，也就是通信定位机在基阵坐标系下的位置；利用北斗定位接收机获得的经纬度，利用姿态方位仪获取的横摇、纵摇、艏向信息，通过坐标系转化，得到通信定位机的大地坐标系位置，将携带通信定位机位置信息的定位信号，通过无线电或水声通信发送给服务器或者水下航行器；
3、服务器或者水下航行器收到定位信号，解码得到通信定位机的实时位置，当收到4个或以上定位信号时，根据长基线定位方法，解算出水下航行器的位置。
更进一步的，步骤2中，所用的坐标转化过程为：在基阵坐标系下，超短基线应答器定位结果为(xi2,yi2,zi2)，基阵坐标系中心位置对应大地坐标系的位置，由北斗定位接收机获得的经纬度(B,L)转化为大地坐标系得到，为(xi3,yi3,0)，通过如下公式
其中为定位请求信号到达时刻的艏向，纵摇，横摇，/>将基阵坐标系下的超短基线应答器的定位结果，即通信定位机的位置，转化到大地坐标系中，得到通信定位机的绝对位置(xi1,yi1,zi1)。
更进一步的，所述的服务器包括岸基或船基服务器。
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：
通过超短基线设备实时修正定位基站通信定位机的位置，从而减小长基线定位系统中定位基站的位置误差，再结合长基线原理，计算自身位置。定位过程中同时运用超短基线原理和长基线原理，以消除海流对通信定位机位置的影响，提高水下航行器定位精度。
附图说明
图1为单个浮标基站示意图；
图2为主动定位工作模式示意图；
图3为被动定位工作模式示意图。
附图标记说明：浮标1，北斗定位接收机2，姿态方位仪3，超短基线收发阵4，电缆5，超短基线应答器6，通信定位机7，水下航行器8。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做详细的介绍：
如图2和图3所示，海面布设浮标1，数量为4套，每套浮标1安装北斗定位接收机2、超短基线设备、姿态方位仪3和通信定位机7。图1为单个浮标基站示意图。北斗定位接收机2、姿态方位仪3与通信定位机7通过电缆5相连，通信定位机7悬挂在浮标平台下方；超短基线设备包括超短基线收发阵4和超短基线应答器6，其中超短基线收发阵4安装在浮标平台的北斗定位接收机2正下方，基阵坐标系需与浮标平台坐标系一致，坐标中心的水平位置对应北斗定位接收机2位置一致，超短基线应答器6安装在通信定位机7上。
主动定位模式下(如图2所示)，水下航行器8监测自身时钟，当时间值等于周期性发射时刻t_a0时，发射主动定位请求信号，周边水域的浮标通过分析同步头，在时间t_ari(i＝1,...,4)监测到该请求信号后，立刻从北斗定位接收机2与姿态方位仪3获取经纬度(B,L)、横摇纵摇κ、艏向A等信息。
基阵坐标系中心位置对应大地坐标系的位置，可由(B,L)转化为大地坐标系得到，为(xi3,yi3,0)。浮标通过超短基线设备，对超短基线应答器进行定位，测得此时其通信定位机(超短基线应答器)在浮标平台坐标系下的位置(xi2,yi2,zi2)，通过坐标旋转原则，将通信定位机位置转化到大地坐标系中，得到通信定位机的绝对位置(xi1,yi1,zi1)。坐标转化公式如下所示：
其中为定位请求信号到达时刻对应的艏向，纵摇，横摇，/>将通信定位机的绝对位置、到达时间等信息打包成定位信号后，通过无线电发送给岸基服务器；
岸基服务器收到定位信号，解码出定位基站的位置、到达时间等信息，当接收到4个定位基站的定位信号时，可解算出自身的位置xs,ys,zs，解算方程如下
(xi1-xs)2+(yi1-ys)2+(zi1-zs)2＝c2(t_ari-t_a0)2 (3)
被动定位模式下，设超短基线设备进行一次定位的最大时间为τ1，发射信号准备最大时间为τ2，周期性发射时刻为t_p0。4个浮标端水声通信定位机实时接收北斗定位接收机输出的PPS秒脉冲以及时间和经纬度信息，当时间值等于t_p0-τ1-τ2时，从北斗定位接收机与姿态方位仪实时获取经纬度(B,L)、横摇纵摇κ、艏向A等信息，并对超短基线应答器进行定位，测得此时通信定位机(超短基线应答器)在浮标平台坐标系下的位置(xi2,yi2,zi2)，通过坐标旋转原则(公式(1)和公式(2))，将通信定位机的位置转化到大地坐标系中，得到通信定位机的绝对位置(xi1,yi1,zi1)。
将水声通信机绝对位置信息打包为定位信号，当时间值等于周期性发射时刻t_p0时，4个通信定位机以互不重叠的4个频带发射各自的定位信号。
水下航行器通信定位机接收来浮标的定位信号，对定位信号进行匹配滤波，测量得到定位信号到达时刻t_pri，解码得到浮标通信定位机的位置信息，当接收到4个浮标的定位信号时，如果水下航行器通信定位机与浮标通信定位机时间同步，根据以下方程(c为声速)：
(xi1-xs)2+(yi1-ys)2+(zi1-zs)2＝c2(t_pri-t_p0)2 (4)
可解算出自身位置。
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)

1.一种浮标基组合基线水声定位方法，其特征在于：包含如下步骤：
(1)海面布设至少4套以上的浮标(1)，每套浮标(1)安装北斗定位接收机(2)、水声超短基线设备、姿态方位仪(3)和通信定位机(7)，其中，超短基线设备包含超短基线收发阵(4)和超短基线应答器(6)，北斗定位接收机(2)和姿态方位仪(3)安装在浮标(1)上并通过电缆(5)分别与通信定位机(7)相连，通信定位机(7)悬挂在浮标(1)下方，超短基线收发阵(4)安装在北斗定位接收机(2)的正下方，超短基线应答器(6)安装于通信定位机(7)上或靠近通信定位机(7)的位置；基阵坐标系与浮标平台坐标系一致，坐标中心的水平位置对应北斗定位接收机(2)位置一致；
(2)利用超短基线设备测量得到超短基线应答器(6)在基阵坐标系下的位置，也就是通信定位机(7)在基阵坐标系下的位置；利用北斗定位接收机(2)获得的经纬度，利用姿态方位仪(3)获取的横摇、纵摇、艏向信息，通过坐标系转化，得到通信定位机(7)的大地坐标系位置，将携带通信定位机(7)位置信息的定位信号，通过无线电或水声通信发送给服务器或者水下航行器(8)；
(3)服务器或者水下航行器(8)收到定位信号，解码得到通信定位机(7)的实时位置，当收到4个或以上定位信号时，根据长基线定位方法，解算出水下航行器(8)的位置。
2.根据权利要求1所述的浮标基组合基线水声定位方法，其特征在于：步骤(2)中，所用的坐标转化过程为：在基阵坐标系下，超短基线应答器(6)定位结果为(xi2,yi2,zi2)，基阵坐标系中心位置对应大地坐标系的位置，由北斗定位接收机(2)获得的经纬度(B,L)转化为大地坐标系得到，为(xi3,yi3,0)，通过如下公式
其中为定位请求信号到达时刻的艏向，纵摇，横摇，/>将基阵坐标系下的超短基线应答器(6)的定位结果，即通信定位机(7)的位置，转化到大地坐标系中，得到通信定位机的绝对位置(xi1,yi1,zi1)。
3.根据权利要求1所述的浮标基组合基线水声定位方法，其特征在于：所述的服务器包括岸基或船基服务器。
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