CN112540340B - 精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备，涉及定位系统技术领域，解决了现有技术中定位不准确的问题，本发明包括超短基线水声定位系统、第二GPS卫星定位系统和声信标载体，超短基线水声定位系统包括第一GPS卫星定位系统、信号处理单元、超短基线声基阵、超短基线应答器和辅助传感器，第二GPS卫星定位系统与超短基线应答器连接于声信标载体。本发明通过让声信标自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用第二GPS卫星定位系统获取声信标所处水面绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法，具有定位准确的优点。

Description

精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备
技术领域
本发明涉及定位系统技术领域，具体的说，是一种精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备。
背景技术
声信标设备是超短基线水声定位系统中的一部分。根据实际需求声信标可以搭载在ROV，无人潜航器，潜水艇等水下作业设备上。声信标与声基阵进行实时通信，可以有效的确定声信标与声基阵之间的相对坐标位置，再根据声基阵的绝对地理坐标，可以推算出水下搭载有声信标的水下设备的绝对位置坐标，极大地提高了水下作业的作业效率，作业精度等。但是由于不同水域，不同环境下声信标声基阵相互通信的水域介质存在明显的不确定性，导致水下声传播的不确定性，从而导致超短基线定位精度的存在明显的误差，误差会造成定位的不确定性，从而导致水下作业机器人的作业效率低下。
发明内容
本发明的目的在于设计出一种精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备，具有定位准确的优点。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供了一种自校准声信标定位设备，包括超短基线水声定位系统、第二GPS卫星定位系统和声信标载体，所述超短基线水声定位系统包括第一 GPS卫星定位系统、信号处理单元、超短基线声基阵、超短基线应答器和辅助传感器，所述第二GPS卫星定位系统与所述超短基线应答器连接于所述声信标载体。
采用上述设置结构时，可通过让声信标载体携带第二GPS卫星定位系统和应答器自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统获取声信标所处水面的绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度，这种自校准声信标定位设备，弥补了因为水域各种复杂因素对声速的变化造成对超短基线水声定位精度的影响。
进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述辅助传感器包括与所述信号处理单元连接的运动传感器和电罗经。
进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述第二GPS卫星定位系统设置有GPS休眠模块，所述GPS休眠模块为压力传感器。
进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述第二GPS卫星定位系统的工作压力值在0-2个大气压之间。
采用上述设置结构时，通过压力传感器将第二GPS卫星定位系统的工作压力值在0-2个大气压之间能够使第二GPS卫星定位系统在2个大气压以上的水面之下处于休眠状态，在接近水面时才会开启工作，以保证自校准声信标定位设备较低的功耗。
进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述声信标载体为ROV。
本发明提供了一种精度误差补偿方法，采用上述的自校准声信标定位设备，通过让声信标载体携带第二GPS卫星定位系统和应答器自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统获取声信标所处水面的绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度。
采用上述方法时，该种精度误差补偿方法弥补了因为水域各种复杂因素对声速的变化造成对超短基线水声定位精度的影响。
进一步的为更好的实现本发明：超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置根据声线入射角和已知深度进行位置解算。
进一步的为更好的实现本发明：所述声信标所处水面的绝对位置包括声信标所处水面的经纬度。
进一步的为更好的实现本发明：通过让声信标载体携带第二GPS卫星定位系统和应答器自定位位置沿竖向方向间歇性地浮出水面，完成多次实时修正超短基线水声定位系统的定位算法作业，使超短基线水声定位系统的定位算法所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置。
采用上述方法时，通过多次对算法的修正能够进一步提高超短基线水声定位系统的定位精度。
进一步的为更好的实现本发明：使第二GPS卫星定位系统的启动压力值接近水面压力。
采用上述方法时，能够保证第二GPS卫星定位系统在接近水面时才会处于工作状态，使自校准声信标定位设备较低的功耗。
本发明具有以下优点及有益效果：
本发明中，可通过让声信标载体携带第二GPS卫星定位系统和应答器自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统获取声信标所处水面的绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度，这种自校准声信标定位设备，弥补了因为水域各种复杂因素对声速的变化造成对超短基线水声定位精度的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是自校准声信标定位设备的设置示意图；
图2是水声场通道结构示意图；
图3是深海海域典型声速剖面图；
图中标记为：
1、声基阵载体；2、第一GPS卫星定位系统；3、信号处理单元；4、超短基线声基阵；5、辅助传感器；6、声信标载体；7、第二GPS卫星定位系统；8、应答器；9、压力传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
在海洋波导中，声传播路径主要受海面、海底以及海水介质影响。海水中声速与温度、盐度和静压力有关，盐度变化对声速影响较小,因此温度影响最为显著。声速随深度变化情况用声速剖面来表示。海洋声速剖面变化受海域环境和季节等因素影响，声波在水介质空间传播时，受到水声场环境起伏的影响较为严重，不像空气中那样能将介质看成是均匀的，声速是不变的。
如图1所示，水中温跃层将声场分成上水层通道和下水层通道，在上水层或者下水层里，垂向温度起伏都比较小，而温跃层里的温度起伏较大，因此，在声场上/下水层通道内的内波起伏较小，声线弯曲度小。而在温跃层中，温度变化为强负梯度，内波起伏大，声线向下弯曲度较大，这是下水层通道小掠射角声线难以到达上水层通道的原因，特别是声源处于下水层通道较深位置时这种现象更为突出，会出现声源正上方的上水层通道没有声线到达的情况。所以，在远程接收目标信号时，声学系统的信号检测基阵和目标声源应在同一水层通道内，否则会影响声学系统的作用距离。
基于以上对水声场通道的分析，提供了一种自校准声信标定位设备，具有定位准确的优点，如图1、图2、图3所示，特别设置成下述结构：
该种自校准声信标定位设备包括超短基线水声定位系统、第二GPS卫星定位系统7和声信标载体6。
超短基线水声定位系统采用现有成熟设备，包括第一GPS卫星定位系统2、信号处理单元3、超短基线声基阵4、超短基线应答器8和辅助传感器5，第一 GPS卫星定位系统2、第二GPS卫星定位系统7、超短基线声基阵4、和辅助传感器5与信号处理单元3建立连接，超短基线应答器8与超短基线声基阵4 建立连接。第二GPS卫星定位系统7与超短基线应答器8均同时搭载于声信标载体6，该声信标载体6可以为ROV或搭载于ROV的配件。辅助传感器5包括与信号处理单元3连接的运动传感器和电罗经，辅助传感器5和第一GPS卫星定位系统2用于获得超短基线声基阵4的位置、姿态以及船艏方向。
使用时，将超短基线水声定位系统的第一GPS卫星定位系统2、信号处理单元3、超短基线声基阵4和辅助传感器5等搭载于声基阵载体1上，将超短基线应答器8、第二GPS卫星定位系统7搭载于声信标载体6处。通过让声信标载体6携带第二GPS卫星定位系统7和应答器8自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统7获取声信标所处水面的绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度。为了使定位更为精确，可使声信标在工作时间歇性地浮出水面获取多组数据对算法进行修正。这种自校准声信标定位设备，弥补了因为水域各种复杂因素对声速的变化造成对超短基线水声定位精度的影响。
优选的，该第二GPS卫星定位系统7设置有GPS休眠模块，该GPS休眠模块具体可以为压力传感器9或光线传感器等，以使第二GPS卫星定位系统7 在接近水面才会从休眠状态转为启动状态。具体的，可以将第二GPS卫星定位系统7的工作压力值在0-2个大气压之间，进一步可设定在1-1.5个大气压之间。通过压力传感器9将第二GPS卫星定位系统7的工作压力值在0-2个大气压之间能够使第二GPS卫星定位系统7在2个大气压以上的水面之下处于休眠状态，在接近水面时才会开启工作，以保证自校准声信标定位设备较低的功耗。
实施例2：
本实施例提供了一种精度误差补偿方法：
该种精度误差补偿方法基于实施例1中的自校准声信标定位设备，其中的超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置根据声线入射角和已知深度进行位置解算。通过让声信标载体6携带第二GPS卫星定位系统7和应答器 8自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统 7获取声信标所处水面的绝对位置，声信标所处水面的绝对位置包括声信标所处水面的经纬度，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，采用现有常规的修正方法对超短基线水声定位系统的定位算法进行实时修正以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度。第一次修正完成后，声信标载体6可根据前一次保留的深度信息和经纬度信息等重新下潜回到原来作业位置进行作业。该种精度误差补偿方法弥补了因为水域各种复杂因素对声速的变化造成对超短基线水声定位精度的影响。
优选的，为了进一步对修正算法，可通过让声信标载体6携带第二GPS卫星定位系统7和应答器8自定位位置沿竖向方向间歇性地浮出水面，在完成一次修正超短基线水声定位系统的定位算法后，可使声信标根据前一次保留的深度信息和经纬度信息再次下潜，并再次浮出水面，进一步修正定位算法，完成多次实时修正超短基线水声定位系统的定位算法作业，使超短基线水声定位系统的定位算法所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，在修正过程中，声信标载体6的下潜深度可与前次一样也可不一样。通过多次对算法的修正能够进一步提高超短基线水声定位系统的定位精度。
第二GPS卫星定位系统7的启动压力值最好接近水面压力，这样能够保证第二GPS卫星定位系统7在接近水面时才会处于工作状态，使自校准声信标定位设备较低的功耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自校准声信标定位设备，其特征在于：包括超短基线水声定位系统、第二GPS卫星定位系统(7)和声信标载体(6)，所述超短基线水声定位系统包括第一GPS卫星定位系统(2)、信号处理单元(3)、超短基线声基阵(4)、超短基线应答器(8)和辅助传感器(5)，所述第二GPS卫星定位系统(7)与所述超短基线应答器(8)连接于所述声信标载体(6)；所述第二GPS卫星定位系统(7)设置有GPS休眠模块，所述GPS休眠模块为压力传感器(9)；
所述的自校准声信标定位设备，通过让声信标载体(6)携带第二GPS卫星定位系统(7)和应答器(8)自定位位置沿竖向方向地浮出水面，利用浮出水面的第二GPS卫星定位系统(7)获取声信标所处水面的绝对位置，同时利用获取的绝对位置与超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置进行对比，实时修正超短基线水声定位系统的定位算法以使其所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置，进而进一步计算出声信标所处定位位置的深度和经纬度；
通过让声信标载体(6)携带第二GPS卫星定位系统(7)和应答器(8)自定位位置沿竖向方向间歇性地浮出水面，完成多次实时修正超短基线水声定位系统的定位算法作业，使超短基线水声定位系统的定位算法所推算的声信标的相对位置更接近声信标所处水面的绝对位置。
2.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：所述辅助传感器(5)包括与所述信号处理单元(3)连接的运动传感器和电罗经。
3.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：所述第二GPS卫星定位系统(7)的工作压力值在0-2个大气压之间。
4.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：所述声信标载体(6)为ROV。
5.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：超短基线水声定位系统推算出来的声信标的相对位置根据声线入射角和已知深度进行位置解算。
6.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：所述声信标所处水面的绝对位置包括声信标所处水面的经纬度。
7.根据权利要求1所述的一种自校准声信标定位设备，其特征在于：使第二GPS卫星定位系统(7)的启动压力值接近水面压力。
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