CN112147578B - 一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法 - Google Patents

一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法,主要包括校准装置等,深海应答器布放在海底,并布置在长方形四个顶角上,位置校准装置通过固定卡具安装在潜标主体上的发射声源附近,发射声源附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器,需要实时获取位置的垂直接收阵阵元在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器。本发明应用在深海声层析试验过程中对发射声源和接收阵元位置进行定位,具有定位精度高,作用海域深,可以大幅度减小由于空间定位误差引起的声层析试验反演误差,并可广泛应用于各类深海声传播试验、海底声学成像试验等。

Description

一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与 方法
技术领域
本发明涉及海洋声学探测的领域,具体涉及一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法。
背景技术
在1979年由Munk和Wunch提出的经典海洋声层析理论中,讨论了描绘中尺度海洋所需的声学手段和反演方法。在经典理论中,海洋声学层析观测的尺度范围可以达到1000km以上,是非常高效的海洋观测方式,采用低频大功率高声源级的发射换能器发射声脉冲,并采用大范围垂直接收阵进行声信号的接收,纯理论的声层析试验要求对发射时刻的声信号发射起始点和接收时刻的垂直接收阵阵元进行精确测量和定位,由于温度、流速对于声速的扰动是小量,因此位置测量要求非常准确才能得到高精度的声速场,温度场,流速场的反演结果。
由于海水对电磁信号的屏蔽,水下设备无法采用诸如GPS等设备获得实时地对于设备的准确位置信息及高程信息。同时,由于声传播的特殊性,接收声传播的位置往往会覆盖整个水深的范围。因此,对于多元垂直接收阵的布置需要在试验区域全海深范围内进行,这个深度往往在4000米以上。因此,如何准确地获取声源发射信号瞬间的位置以及垂直接收阵接收到声信号的瞬间位置信息是声传播试验的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的:这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统与方法,主要包括位置校准装置、深海应答器、倾角和方位传感器、潜标主体、发射声源、垂直接收阵阵元、深海收发潜标,深海应答器布放在海底,并布置在长方形四个顶角上,位置校准装置通过固定卡具安装在潜标主体上的发射声源附近,发射声源附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器,需要实时获取位置的垂直接收阵阵元在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器,除深海应答器以外,一个位置校准装置、以及安装在垂直接收阵阵元处的至少三个倾角和方位传感器均是深海收发潜标上集成的部件。
所述深海应答器布放的长方形边长不小于1km。
所述位置校准装置、深海应答器以及安装在垂直接收阵阵元处的倾角和方位传感器构成的深海垂直阵阵元监测组合方式,利用较为精确的长基线定位系统进行主要设备即声源的定位,通过在发射声源两端延伸的垂直接收阵阵元布置,以及与垂直接收阵阵元平行安装的倾角和方位传感器计算阵元位置。
这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位方法,主要包括以下步骤:
1)首先布放深海收发潜标;
2)其次布放深海应答器;
3)在布放完成后采用测量船对深海应答器的布放位置进行测量;
4)深海应答器位置确定后自主工作,与安装在深海收发潜标的位置校准装置进行“询问”-“应答”式的测距方式进行测距,进而利用深海应答器的具体GPS位置信息解算位置校准装置的具体GPS位置;
5)通过倾角和方位传感器给出的横摇和纵倾以及倾角和方位传感器的航向,确定深海收发潜标阵“倒伏”方向,以及“倒伏”角度,结合垂直接收阵阵元以及其相对于位置校准装置的垂直距离,对垂直接收阵阵元的可能位置采用以下公式进行估算,获得声传播试验所需要的发射时刻的声信号发射起始位置和接收时刻的垂直接收阵阵元位置,公式为:
其中R是安装倾角和方位传感器的垂直接收阵阵元位置概率圆直径,r是发射声源位置概率圆直径,δθ是倾角和方位传感器的倾角传感器最大角度误差,L是位置校准装置和垂直接收阵阵元的垂直距离。
所述深海应答器的布放位置测量体方式是采用测量船进行多点机动,并同时测量与单个深海应答器的斜距,利用船载GPS、DGPS基站信号获得差分GPS位置信息定位信息以及与单个深海应答器的斜距解算单个深海应答器的具体GPS位置信息。
本发明的有益效果为:本发明应用在深海声层析试验过程中对发射声源和接收阵元位置进行定位,具有定位精度高,作用海域深,可以大幅度减小由于空间定位误差引起的声层析试验反演误差,并可广泛应用于各类深海声传播试验、海底声学成像试验等,进而提高海洋目标探测、地形地貌勘察、海洋科学调查、军事调查、水下导航与定位的精度;高精度倾角及方位传感器采用自容式设计,安装方便,数据处理简单;整套定位系统可以充分地采用试验的方式对精度进行实测闭环,初步试验精度可以达到发射声源定位精度1.51米,垂直阵阵元定位精度达到11.98米,满足发射时刻的声信号发射起始位置和接收时刻的垂直接收阵阵元位置测量要求。
附图说明
图1为本发明的各项设备总布置示意图。
图2为本发明的垂直接收阵阵元与倾角和方位传感器安装示意图。
图3为本发明的倾角和方位传感器应用示意图。
图4为本发明的深海应答器定位工作示意图。
图5为本发明的长基线定位系统工作示意图。
附图标记说明:位置校准装置1、深海应答器2、倾角和方位传感器3、潜标主体4、发射声源5、垂直接收阵阵元6、深海收发潜标7。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍:
如附图所示,这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统,主要包括位置校准装置1、深海应答器2、倾角和方位传感器3、潜标主体4、发射声源5、垂直接收阵阵元6、深海收发潜标7,深海应答器2布放在海底,并布置在边长不小于1km的长方形四个顶角上,位置校准装置1通过固定卡具安装在潜标主体4上的发射声源5附近,发射声源5附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器3,需要实时获取位置的垂直接收阵阵元6在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器3,除深海应答器2以外,一个位置校准装置1、以及安装在垂直接收阵阵元6处的至少三个倾角和方位传感器3均是深海收发潜标7上集成的部件。
所述的位置校准装置1、深海应答器2以及安装在垂直接收阵阵元6处的倾角和方位传感器3构成的深海垂直阵阵元监测组合方式,利用较为精确的长基线定位系统进行主要设备即声源的定位,通过在发射声源5两端延伸的垂直接收阵阵元6布置,以及与垂直接收阵阵元6平行安装的倾角和方位传感器3计算阵元位置。
这种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位方法,主要包括以下步骤:
1)首先布放深海收发潜标7;
2)其次布放深海应答器2;
3)在布放完成后采用测量船对深海应答器2的布放位置进行测量;深海应答器2的布放位置测量体方式是采用测量船进行多点机动,并同时测量与单个深海应答器2的斜距,利用多点的船载亚米级GPS或购置DGPS基站信号获得差分GPS位置信息定位信息以及与单个深海应答器2的斜距解算单个深海应答器2的具体GPS位置信息。如附图4所示。以此类推进行全部4个深海应答器2的位置测量作为定位的基准。
4)深海应答器2位置确定后自主工作,与安装在深海收发潜标7的位置校准装置1进行“询问”-“应答”式的测距方式进行测距,进而利用深海应答器2的具体GPS位置信息解算位置校准装置1的具体GPS位置;如图5所示。
5)通过倾角和方位传感器3给出的横摇和纵倾以及倾角和方位传感器3的航向,确定深海收发潜标7阵“倒伏”方向,以及“倒伏”角度,结合垂直接收阵阵元6以及其相对于位置校准装置1的垂直距离,对垂直接收阵阵元6的可能位置采用以下公式进行估算,从而获得声传播试验所需要的发射时刻的声信号发射起始位置和接收时刻的垂直接收阵阵元位置,公式为:
其中R是安装倾角和方位传感器3的垂直接收阵阵元6位置概率圆直径,r是发射声源5位置概率圆直径,δθ是倾角和方位传感器3的倾角传感器最大角度误差,L是位置校准装置1和垂直接收阵阵元6的垂直距离。
本发明由位于垂直阵接收阵中部的高精度长基线定位系统、在垂直阵上布置的倾角和方位传感器3以及在海底布置的深海应答器2组成。垂直阵中部布置发射声源5,其定位采用长基线系统进行,并利用与DGPS的定位进行实测比对确定其精度真值置信区间为直径为1.51m的圆。采用高精度的罗盘和倾角传感器精度为1°结合发射换能器的长基线定位结果对接收垂直阵阵元进行定位,其位置真值置信区间为直径11.98m的圆以内。本发明利用亚米级GPS或购置DGPS基站信号获得差分GPS位置信息和船载长基线系统对深海应答器2的定位精度,并将4个深海应答器2的海底位置作为对声基元校准装置定位的基准,可以获得较好的定位效果。采用4个深海应答器2对声基元校准装置进行定位作为发射声源5的位置,并以此位置信息为基础结合倾角和方位传感器3在垂直方向的已知长度距离换算垂直接收阵的阵元位置,从而获得发射声源5、垂直接收阵阵元6的位置。3个备1个=4个的深海应答器2冗余备份布置能有效提高定位系统的存活概率,同时在解算时提高定位精度。
可以理解的是,对本领域技术人员来说,对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统,其特征在于:包括位置校准装置(1)、深海应答器(2)、倾角和方位传感器(3)、潜标主体(4)、发射声源(5)、垂直接收阵阵元(6)和深海收发潜标(7),深海应答器(2)布放在海底,并布置在长方形四个顶角上,位置校准装置(1)通过固定卡具安装在潜标主体(4)上的发射声源(5)附近,发射声源(5)附近通过固定卡具安装倾角和方位传感器(3),需要实时获取位置的垂直接收阵阵元(6)在最远端通过固定卡具安装倾角和方位传感器(3),除深海应答器(2)以外,一个位置校准装置(1)、以及安装在垂直接收阵阵元(6)处的至少三个倾角和方位传感器(3)均是深海收发潜标(7)上集成的部件;
所述位置校准装置(1)、深海应答器(2)以及安装在垂直接收阵阵元(6)处的倾角和方位传感器(3)构成的深海垂直阵阵元监测组合方式,利用长基线定位系统进行声源的定位,通过在发射声源(5)两端延伸的垂直接收阵阵元(6)布置,以及与垂直接收阵阵元(6)平行安装的倾角和方位传感器(3)计算阵元位置。
2.根据权利要求1所述的高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位系统,其特征在于:所述深海应答器(2)布放的长方形边长不小于1km。
3.一种高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)首先布放深海收发潜标(7);
2)其次布放深海应答器(2);
3)在布放完成后采用测量船对深海应答器(2)的布放位置进行测量;
4)深海应答器(2)位置确定后自主工作,与安装在深海收发潜标(7)的位置校准装置(1)进行“询问”-“应答”式的测距方式进行测距,进而利用深海应答器(2)的具体GPS位置信息解算位置校准装置(1)的具体GPS位置;
5)通过倾角和方位传感器(3)给出的横摇和纵倾以及倾角和方位传感器(3)的航向,确定深海收发潜标(7)阵“倒伏”方向,以及“倒伏”角度,结合垂直接收阵阵元(6)以及其相对于位置校准装置(1)的垂直距离,对垂直接收阵阵元(6)的可能位置采用以下公式进行估算,获得声传播试验所需要的发射时刻的声信号发射起始位置和接收时刻的垂直接收阵阵元位置,公式为:
其中R是安装倾角和方位传感器(3)的垂直接收阵阵元(6)位置概率圆直径,r是发射声源(5)位置概率圆直径,δθ是倾角和方位传感器(3)的倾角传感器最大角度误差,L是位置校准装置(1)和垂直接收阵阵元(6)的垂直距离。
4.根据权利要求3所述的高精度深水发射阵及多元垂直接收阵阵元定位方法,其特征在于:所述深海应答器(2)的布放位置测量体方式是采用测量船进行多点机动,并同时测量与单个深海应答器(2)的斜距,利用船载GPS、DGPS基站信号获得差分GPS位置信息定位信息以及与单个深海应答器(2)的斜距解算单个深海应答器(2)的具体GPS位置信息。
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