CN112462322A - 一种水下蛙人定位方法及定位系统 - Google Patents

一种水下蛙人定位方法及定位系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112462322A
CN112462322A CN202011261104.XA CN202011261104A CN112462322A CN 112462322 A CN112462322 A CN 112462322A CN 202011261104 A CN202011261104 A CN 202011261104A CN 112462322 A CN112462322 A CN 112462322A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frogman
buoy
ship
positioning
underwater
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011261104.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112462322B (zh
Inventor
谢乐涛
张泽江
赵汉高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Qianshou Qianyan Technology Co ltd
Sichuan Fire Research Institute of Emergency Management Department
Original Assignee
Shenzhen Qianshou Qianyan Technology Co ltd
Sichuan Fire Research Institute of Emergency Management Department
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Qianshou Qianyan Technology Co ltd, Sichuan Fire Research Institute of Emergency Management Department filed Critical Shenzhen Qianshou Qianyan Technology Co ltd
Priority to CN202011261104.XA priority Critical patent/CN112462322B/zh
Publication of CN112462322A publication Critical patent/CN112462322A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112462322B publication Critical patent/CN112462322B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/04—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means
    • G01C21/06—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by terrestrial means involving measuring of drift angle; involving correction for drift
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种水下蛙人定位方法，包括：(1)蛙人与浮标建立通讯；(2)分别解算浮标或船只的定位信息以及浮标或船只在地理坐标系下的航向角和姿态角信息，并获得水下深度数据；(3)根据浮标或船只定位信息、航向角及姿态角信息和水下深度推算蛙人的精确位置指向；(4)移动浮标或船只的位置，并继续推算蛙人的精确位置指向；(5)重复步骤(4)的方式，获得浮标或船只与蛙人之间的多个位置指向，然后利用最小二乘法求解蛙人的精确位置。本发明还提供了与定位方法配套的定位系统。本发明设计合理、使用方便、定位更精准，改善了水下蛙人系统在定位方面的性能，很好地满足了实际工况的需要，为水下蛙人工程的全面发展提供了良好的保障。

Description

一种水下蛙人定位方法及定位系统
技术领域
本发明涉及水下蛙人系统技术领域，具体涉及的是一种水下蛙人定位方法及定位系统。
背景技术
随着社会和科技的不断进步与发展，水下蛙人工程工作这一工种也迅速发展，并被广泛应用于多个领域，例如水下救援、打捞、清淤、摄影、检修、安装等等。
水下环境与水上有着本质的区别，例如能见度低、方向感差、通信不好。当蛙人需要长时间、大范围水下作业时，无法搜索或准确到达预定目标，就会容易在水下失去方向。这将直接关系到水下蛙人作业效果或作战任务的成败，甚至危及蛙人生命安全，这也是水下蛙人系统寻求解决的主要问题。
目前，针对水下蛙人定位的方式，大多采用长基线导航系统或短基线(超短基线)导航系统的方案。长基线导航系统定位精度高，但系统复杂，且需提前在海底布放多个信标；短基线(或超短基线)导航系统无需布放信标，但定位精度较低。
基于此，专利公开号：CN110187302A公开了一种基于单信标的水下蛙人自导航方法，其方案主要是预先在海底布放单个声信标，并通过标定获取该单信标所在位置，结合蛙人的运动速度与姿态数据，建立“虚拟信标阵列”，利用水声测距原理获得蛙人与虚拟信标之间的相对距离，建立测距方程组，解算蛙人在当前采样时刻所处的位置。
上述方案虽然实现了定位精度与系统复杂程度之间的平衡，但其对信标定向定姿精度的依赖程度较高(需要提前布设单个信标，并建立测距方程组进行蛙人位置解算)，且流程相对复杂。并且在信标作业中，无论是布放、复位、巡检，信标位置的标定都会存在一定的误差，因而在后续使用过程中，会在一定程度上影响到水下蛙人定位的精度，导致其定位出现偏差。因此，上述方案并不能完全满足实际工况的需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种水下蛙人定位方法及定位系统，能有效提高水下蛙人定位精度，满足实际工况的需求，并简化了定位流程和系统结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种水下蛙人定位方法，包括以下步骤：
(1)蛙人与浮标或船只建立通讯；
(2)分别解算浮标或船只的定位信息以及浮标或船只在地理坐标系下的航向角和姿态角信息，并获得蛙人距离水面的高度，即水下深度数据；
(3)根据浮标或船只定位信息、航线角及姿态角信息和水下深度推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(4)移动浮标或船只的位置，并继续推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(5)重复步骤(4)的方式，获得浮标或船只与蛙人之间的多个位置指向，然后利用最小二乘法求解蛙人的精确位置。
基于上述定位方法，本发明提供了相应的定位系统，包括分别安装在浮标或船只上的控制器、导航接收机、惯性导航系统、换能器，以及安在蛙人身上的通讯装置；所述通讯装置上安装有压力传感器；其中：
所述的通讯装置用于在换能器工作范围内与其建立通讯，并根据压力传感器的检测得到通讯装置距离水面的高度，然后向控制器实时传输水下深度数据；
所述的导航接收机用于实时记录换能器的多个经纬度位置(lat1，lon1)、(lat2，lon2)……(latN，lonN)；
所述的惯性导航系统用于测得换能器在浮标或船只地理坐标系下的多个航线角Ψ1、Ψ2……ΨN，以及根据水下深度数据，测得通讯装置与换能器之间在浮标或船只地理坐标系下的多个相对偏角Ф1、Ф2……ФN，得到通讯装置与换能器在浮标或船只地理坐标系下的多个相对偏角(Ψ1+Ф1)、(Ψ2+Ф2)……(ΨN+ФN)；
所述的控制器用于根据多个相对偏角建立地理直角坐标系，然后根据地理直角坐标系，通过最小二乘法求解得到通讯装置的经纬度坐标信息，确定水下蛙人的精确位置。
作为优选，所述导航接收机为北斗卫星导航接收机。
作为优选，所述通讯装置为应答器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在水面设置移动浮标(或船只)，根据水面高精度定位信号及航向角、姿态角信息，结合浮标的运动状态，对水下蛙人的位置及方位进行了精准测定。相比长基线导航系统、短基线(或超短基线)导航系统以及单信标自导航系统来说，本发明采用了不一样的设计原理，在不需要预先布设信标的前提下就能实现水下蛙人精准定位，且定位精度更高。同时，除了定位精度更高外，本发明还具有流程和系统设计简单、定位操作便捷、成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明-实施例的方法流程示意图。
图2为本发明-实施例中定位系统的原理示意图。
图3为本发明-实施例中浮标或船只移动后的经纬度位置以及通讯装置位置的示意图。
图4为本发明-实施例中通讯装置与换能器在浮标或船只地理坐标系下的相对偏角示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-浮标或船只，1-1-导航接收机，1-2-惯性导航系统，1-3-换能器，2-蛙人，2-1-通讯装置。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
本发明提供了一种水下蛙人定位方法，其主要根据水面高精度定位信号及航向角、姿态角信息，结合浮标的运动状态，对水下蛙人的位置及方位进行精准测定。如图1所示，本发明具体流程如下：
(1)蛙人与浮标或船只建立通讯；
(2)分别解算浮标或船只的定位信息、航向角及姿态角信息，并获得蛙人距离水面的高度，即水下深度数据；
(3)根据浮标或船只定位信息、航向角及姿态角信息和水下深度推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(4)移动浮标或船只的位置，并继续推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(5)重复步骤(4)的方式，获得浮标或船只与蛙人之间的多个位置指向，然后利用最小二乘法求解蛙人的精确位置。
图2示出了实现上述流程的定位系统，该定位系统包括分别安装在浮标或船只1上的控制器(附图未示出)、导航接收机1-1、惯性导航系统1-2、换能器1-3，以及安在蛙人2身上的通讯装置2-1。并且通讯装置2-1上设有压力传感器，通讯装置根据压力传感器的检测和换算可以得到其距离水面的高度(即水下深度)。
下面针对水下蛙人定位流程，以一个案例进行展开描述。本案例所用到的导航接收机为北斗卫星导航接收机，而通讯装置为应答器。
首先，在换能器工作范围内，通过通讯装置与其建立蛙人与浮标或船只之间的通讯。
接着，北斗卫星导航接收机实时记录换能器当前的经纬度位置(lat1，lon1)；同时，惯性导航系统测得换能器在浮标或船只地理坐标系下的航向角Ψ1，并根据水下深度，测得应答器与换能器之间在浮标或船只地理坐标系下的相对偏角Ф1，得到应答器与换能器在浮标或船只地理坐标系下的相对偏角(Ψ1+Ф1)。
当浮标或船只发生移动后，继续获得换能器的经纬度位置(lat2，lon2)以及应答器与换能器在浮标或船只地理坐标系下的相对偏角(Ψ2+Ф2)。当浮标或船只再发生移动后，按照上述方式，获得换能器的经纬度位置(lat3，lon3)以及应答器与换能器在浮标或船只地理坐标系下的相对偏角(Ψ3+Ф3)，如图3、4所示。
而后，根据上述获得的结果，控制器建立地理直角坐标系，其中，应答器的经纬度位置为(lat，lon)，则有：
Figure BDA0002774658240000041
Figure BDA0002774658240000042
Figure BDA0002774658240000043
最后，根据建立的地理直角坐标系，控制器利用最小二乘法求解得到应答器的定位经纬度坐标，确定水下蛙人的位置，具体计算过程如下：
1、构建矩阵方程：
Figure BDA0002774658240000044
记A*X＝b，则有：
Figure BDA0002774658240000045
Figure BDA0002774658240000046
Figure BDA0002774658240000047
可解得：X＝(ATA)-1ATb
如此即可求得应答器的定位经纬度坐标。
本发明设计合理、使用方便、定位更精准，改善了水下蛙人系统在定位方面的性能，很好地满足了实际工况的需要，为水下蛙人工程的全面发展提供了良好的保障。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下蛙人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)蛙人与浮标或船只建立通讯；
(2)分别解算浮标或船只的定位信息以及浮标或船只在地理坐标系下的航向角和姿态角信息，并获得蛙人距离水面的高度，即水下深度数据；
(3)根据浮标或船只定位信息、航线角及姿态角信息和水下深度推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(4)移动浮标或船只的位置，并继续推算蛙人相对于浮标或船只当前位置的精确位置指向；
(5)重复步骤(4)的方式，获得浮标或船只与蛙人之间的多个位置指向，然后利用最小二乘法求解蛙人的精确位置。
2.一种实现权利要求1所述的水下蛙人定位方法的定位系统，其特征在于，包括分别安装在浮标或船只上的控制器、导航接收机、惯性导航系统、换能器，以及安在蛙人身上的通讯装置；所述通讯装置上安装有压力传感器；其中：
所述的通讯装置用于在换能器工作范围内与其建立通讯，并根据压力传感器的检测得到通讯装置距离水面的高度，然后向控制器实时传输水下深度数据；
所述的导航接收机用于实时记录换能器的多个经纬度位置(lat1，lon1)、(lat2，lon2)……(latN，lonN)；
所述的惯性导航系统用于测得换能器在浮标或船只地理坐标系下的多个航线角Ψ1、Ψ2……ΨN，以及根据水下深度数据，测得通讯装置与换能器之间在浮标或船只地理坐标系下的多个相对偏角Ф1、Ф2……ФN，得到通讯装置与换能器在浮标或船只地理坐标系下的多个相对偏角(Ψ1+Ф1)、(Ψ2+Ф2)……(ΨN+ФN)；
所述的控制器用于根据多个相对偏角建立地理直角坐标系，然后根据地理直角坐标系，通过最小二乘法求解得到通讯装置的经纬度坐标信息，确定水下蛙人的精确位置。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于，所述导航接收机为北斗卫星导航接收机。
4.根据权利要求1～3任一项所述的定位系统，其特征在于，所述通讯装置为应答器。
CN202011261104.XA 2020-11-12 2020-11-12 一种水下蛙人定位方法及定位系统 Active CN112462322B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011261104.XA CN112462322B (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种水下蛙人定位方法及定位系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011261104.XA CN112462322B (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种水下蛙人定位方法及定位系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112462322A true CN112462322A (zh) 2021-03-09
CN112462322B CN112462322B (zh) 2024-06-11

Family

ID=74825046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011261104.XA Active CN112462322B (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种水下蛙人定位方法及定位系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112462322B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589227A (zh) * 2021-07-14 2021-11-02 飞马滨(青岛)智能科技有限公司 一种水下机器人定位系统及方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0432294A1 (de) * 1989-12-12 1991-06-19 LITEF GmbH Verfahren zur Bestimmung des Azimut- und Elevationswinkels der Einfallsrichtung von Hochfrequenzpulsen mittels Monopuls-Amplitudenauswertung
JP2003215230A (ja) * 2002-01-21 2003-07-30 Masao Yoshitani 水中における移動体の位置検知システム及びその方法
JP2006078329A (ja) * 2004-09-09 2006-03-23 Oki Electric Ind Co Ltd 水中航走体の位置計測システム及び、位置計測方法
CN101806884A (zh) * 2010-04-23 2010-08-18 哈尔滨工程大学 基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法
CN107390177A (zh) * 2017-07-05 2017-11-24 东南大学 一种基于纯测向的被动水下声学定位方法
CN107576939A (zh) * 2017-07-21 2018-01-12 哈尔滨工程大学 一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法
CN109814069A (zh) * 2019-01-22 2019-05-28 浙江大学 一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法及其系统
CN110187302A (zh) * 2019-06-17 2019-08-30 北京航空航天大学 一种基于单信标的水下蛙人自导航方法
RU2710831C1 (ru) * 2018-09-13 2020-01-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Самоходный гидроакустический буй-маяк и способ навигационного оборудования морского района
CN110703187A (zh) * 2019-11-19 2020-01-17 哈尔滨工程大学 一种基于水下机动平台的声信标测向及定位方法
CN210719199U (zh) * 2019-11-25 2020-06-09 湖北三峡职业技术学院 一种水下机器人多设备组合导航系统

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0432294A1 (de) * 1989-12-12 1991-06-19 LITEF GmbH Verfahren zur Bestimmung des Azimut- und Elevationswinkels der Einfallsrichtung von Hochfrequenzpulsen mittels Monopuls-Amplitudenauswertung
JP2003215230A (ja) * 2002-01-21 2003-07-30 Masao Yoshitani 水中における移動体の位置検知システム及びその方法
JP2006078329A (ja) * 2004-09-09 2006-03-23 Oki Electric Ind Co Ltd 水中航走体の位置計測システム及び、位置計測方法
CN101806884A (zh) * 2010-04-23 2010-08-18 哈尔滨工程大学 基于超短基线的深海信标绝对位置精确定位方法
CN107390177A (zh) * 2017-07-05 2017-11-24 东南大学 一种基于纯测向的被动水下声学定位方法
CN107576939A (zh) * 2017-07-21 2018-01-12 哈尔滨工程大学 一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法
RU2710831C1 (ru) * 2018-09-13 2020-01-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Самоходный гидроакустический буй-маяк и способ навигационного оборудования морского района
CN109814069A (zh) * 2019-01-22 2019-05-28 浙江大学 一种基于单定位信标的水下移动节点无源定位方法及其系统
CN110187302A (zh) * 2019-06-17 2019-08-30 北京航空航天大学 一种基于单信标的水下蛙人自导航方法
CN110703187A (zh) * 2019-11-19 2020-01-17 哈尔滨工程大学 一种基于水下机动平台的声信标测向及定位方法
CN210719199U (zh) * 2019-11-25 2020-06-09 湖北三峡职业技术学院 一种水下机器人多设备组合导航系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WILSON, RP 等: "An "orientation sphere" visualization for examining animal head movements", ECOLOGY AND EVOLUTION, vol. 10, no. 10, 31 May 2020 (2020-05-31), pages 4291 - 4302 *
程国胜 等: "任意姿态下矢量物理量的测量数据修正计算方法探讨", 数字海洋与水下攻防, vol. 2, no. 1, 31 March 2019 (2019-03-31), pages 86 - 94 *
胡友峰, 景博, 孙进才: "一种水下被动目标运动分析与仿真", 声学技术, vol. 20, no. 04, pages 157 - 161 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113589227A (zh) * 2021-07-14 2021-11-02 飞马滨(青岛)智能科技有限公司 一种水下机器人定位系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112462322B (zh) 2024-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104316045B (zh) 一种基于sins/lbl的auv水下交互辅助定位系统及定位方法
CN105547290B (zh) 一种基于超短基线定位系统的从潜器导航方法
CN110294080B (zh) 一种利用超短基线实现水下精确作业的方法
CN101832775B (zh) 深海作业水下航行器组合导航系统及水下初始对准方法
CN210719199U (zh) 一种水下机器人多设备组合导航系统
CN103760584B (zh) 一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统
CN107576939A (zh) 一种基于虚拟测距信标的单信标测距定位方法
CN1547039A (zh) 无高稳定频标的水下gps定位导航方法及其系统
CN111350214B (zh) 多波束水下钢管桩桩位测量方法
CN107390177A (zh) 一种基于纯测向的被动水下声学定位方法
CN110187302A (zh) 一种基于单信标的水下蛙人自导航方法
CN109319074B (zh) 一种多正交信号发射无人潜器声引导回收系统
CN109855649B (zh) 一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法
CN109738902A (zh) 一种基于同步信标模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法
CN113933526B (zh) 一种体目标高精度三维运动速度测量方法
CN112540371A (zh) 一种近底多波束坐标转换处理方法
CN109059746A (zh) 一种基于精密pos的海底地形测量方法
CN112462322B (zh) 一种水下蛙人定位方法及定位系统
CN111522013A (zh) 一种基于侧扫声呐的海底目标定位装置
CN201673258U (zh) 深海作业水下航行器组合导航系统
CN113640745A (zh) 基于潜浮标一体化平台的多功能长基线导航定位方法及系统
CN113945892B (zh) 一种体目标三维运动轨迹测量方法
CN113654553B (zh) 一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统及定位方法
CN113218372B (zh) 一种海底基准点位置标校系统及方法
CN112666562B (zh) 一种合成孔径声纳运动补偿与成像方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant