CN112684453B - 一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，该方法使得无人潜航器只利用其自身的惯性测量单元和双基地探测声纳系统，就可在水下完成自身定位误差的修正；本发明的方法可以在无人潜航器执行探测任务的同时，完成其自身定位误差的修正，而不影响探测任务的执行；本发明的方法可以满足同时对多个无人潜航器定位误差的修正。该方法能够只利用无人潜航器自身的惯性测量单元和双基地探测声纳系统，在无需加装第三方辅助导航定位系统的情况下，在水下就可以完成自身定位误差的修正，以满足无人潜航器进行水下复杂作业时，对其定位精度的要求。

Description

一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法

技术领域

本发明涉及水下无人系统技术领域，具体涉及一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法。

背景技术

无人潜航器是一种能长时间在水下航行的智能化装置，它可以携带多种传感器，执行特定的使命和任务。近些年，随着平台、计算机、传感器、通信以及人工智能技术的高速发展，大大推进了无人潜航器的发展和实用进程。无人潜航器可分为重型、大型、中型、小型以及微型等几个类型，特别适合于执行环境恶劣、过程危险以及作业耗时的水下任务，如水下爆炸物探测、海底沉船搜索以及海洋环境监测等。由于小型无人潜航器通常可由双人直接携带、回收布放灵活、使用成本较低，并具备较好载荷能力等特点，已成为在浅海、江河、湖泊中使用的主要类型之一。

小型无人潜航器的长度一般为1～2米，其携带的传感器大多以小孔径声纳系统为主，如舷侧线列阵、拖曳细线阵以及鼻艏线列阵等。而且，为了控制成本，小型无人潜航器通常只安装精度较低的惯性测量单元，没有用于辅助定位导航的多普勒测量单元和超短基线系统。这就导致了小型无人潜航器水下作业时的导航定位误差较大，不仅限制了其作业复杂度、实时处理性能，而且多个无人潜航器也无法进行耦合度较高的、双/多基地模式的水下协同作业。另外，如果无人潜航器频繁出水，通过卫星导航定位系统进行定位误差的修正，不仅影响作业进程，而且对无人潜航器的行为控制也提出了较高的要求。

如何在不加装第三方辅助导航定位系统的情况下完成对无人潜航器的自身定位误差的修正，是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，能够只利用无人潜航器自身的惯性测量单元和双基地探测声纳系统，在无需加装第三方辅助导航定位系统的情况下，在水下就可以完成自身定位误差的修正，以满足无人潜航器进行水下复杂作业时，对其定位精度的要求。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，包括如下步骤：

S01、无人潜航器的双基地声纳系统包含无人潜航器本体和分置的水下声源系统；水下声源系统和无人潜航器在执行任务前，通过卫星导航定位系统接收经纬度信息，进行位置的校准。

S02、无人潜航器在执行任务前，在水面上执行时间同步指令，同步水下声源系统和无人潜航器内置的时间系统。

S03、水下声源系统向水下发射一定模式的声脉冲，照射指定的作业水域；无人潜航器在指定的作业水域同步接收声脉冲信号。

S04、无人潜航器从接收的声脉冲信号中，提取出水下声源系统发射出的直达波分量，用于估计水下声源系统的方位角和距离信息。

S05、无人潜航器从自身的惯性测量单元中读取航向角、横滚角、俯仰角、速度以及深度信息；在横滚角、俯仰角、速度以及深度信息保持稳定的情况下，对自身的航向角、估计的水下声源系统的方位角和距离信息进行解算，求解出无人潜航器的水下位置信息，修正定位误差。

进一步地，S01中，水下声源系统由换能器和控制系统组成；水下声源系统的换能器布放在水下；水下声源系统的控制系统布放在船上或岸上，随时接收卫星导航定位系统的时间和经纬度信息；无人潜航器在水面上时，接收卫星导航定位系统的时间和经纬度信息；无人潜航器入水执行任务前，加载水下声源系统的三维坐标。

进一步地，S02中，无人潜航器内装原子钟模块，原子钟模块在水面上执行卫星导航定位系统的时钟同步指令，保证水下声源系统和无人潜航器水下作业时的时间一致性。

进一步地，S03中，水下声源系统向水下发射的声脉冲为线性调频信号，信号的时域表达式为：

其中，f(t)为t时刻的时域信号；t为时间变量；B为频带宽度；T为脉冲持续时间；f₀为起始频率；要求BT>>1；

进一步地，S04中，无人潜航器用采集到的声脉冲信号与自身生成的线性调频信号进行匹配滤波，匹配滤波输出的波形为：

其中PP(t)为t时刻匹配滤波输出。

匹配滤波输出的第一个高峰值为水下声源系统发射出的直达波分量，该直达波分量所对应的时间t_d为直达波到达无人潜航器的时间，进而根据声速C，得到水下声源系统与无人潜航器之间的距离l_sv：l_sv＝C×t_d。

根据直达波到达时间t_d和脉冲持续时间T，设置时间窗，截取直达波分量，对无人潜航器声纳系统采集到的声波信号进行傅里叶变换：

S(w)＝FFT[S(t)]。

其中，S(t)为声纳阵列的时域信号向量，S(w)为声纳阵列的频域信号向量。然后，选取可用频点S(w_i)，根据S(w_i)估计出协方差矩阵R_i：

R_i＝E[S(w_i)S^H(w_i)]，i＝1,…M；

其中，M为所有可用频点数量；i为第i个可用频点；(*)^H为矩阵的共轭转置；

构建导向矢量A_i(θ_i)：

其中，θ_i为第i个可用频点估计的水下声源系统方位角；τ₂(θ_i)～τ_N(θ_i)分别为第2～第N个阵元上由水下声源系统的方位角引起的声波到达时延；N为无人潜航器声纳系统的阵元总数；j为虚部符号。

计算每个频点的输出功率，第i个频点的输出功率为：

取每个频点输出功率的最大值θ_imax，i＝1,…M，取平均得到水下声源系统的方位角：

进一步地，S05中，根据水下声源系统换能器的布放深度d_s、无人潜航器的航行深度d_v、水下声源系统换能器和无人潜航器间的距离l_sv，得到水下声源系统换能器和无人潜航器间的水平距离h_sv：

根据无人潜航器的航向角水下声源系统的方位角θ_est和h_sv，在以水下声源系统为零点的笛卡尔坐标系中，解算出无人潜航器的水平坐标(x_v，y_v)：

其中，为根据/>和θ_est确定的水下声源系统与无人潜航器间连线与正南方向的夹角。

无人潜航器的水下三维坐标为(x_v,y_v,d_v)，完成了无人潜航器水下定位误差的修正。

有益效果：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：本发明基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，该方法使得无人潜航器只利用其自身的惯性测量单元和双基地探测声纳系统，就可在水下完成自身定位误差的修正；本发明的方法可以在无人潜航器执行探测任务的同时，完成其自身定位误差的修正，而不影响探测任务的执行；本发明的方法可以满足同时对多个无人潜航器定位误差的修正。

附图说明

图1为本发明中无人潜航器双基地水下作业的场景示意图；

图2为本发明提出的一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法处理流程图；

图3直达波信号与线性调频信号进行匹配滤波处理后的波形；

图4为无人潜航器水下坐标计算方法示意图；

图5为实施例中无人潜航器计划的航行轨迹图；

图6为通过定位误差修正方法处理后的无人潜航器航行轨迹对比图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，图1所示为无人潜航器双基地水下作业的场景示意图，1.水下声源系统的控制系统，2.水下声源系统的换能器，3.无人潜航器，4.无人潜航器的鼻艏线列阵，5.水下目标区域，6.卫星导航定位系统。

水下声源系统的控制系统布放在岸边，位置固定不变，可随时接收卫星导航定位系统的时间和经纬度信息。

水下声源系统的换能器布放在水下2m，与岸边的控制系统进行硬连接，换能器的声源级为180dB，-3dB开角为60°，照向水下目标区域，换能器与水下目标区域中心的距离为50m。

无人潜航器的作业深度为水下4m，航速3kn，内装惯性测量单元可测量无人潜航器的航行速度、深度、航向角、俯仰角、横滚角等信息。

无人潜航器的鼻艏线列阵的阵元数为12个，阵元间距为70mm。

本实施例中基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法的处理流程，如图2所示，包括如下步骤：

S01、在岸边布放水下声源系统，水下声源系统和无人潜航器在执行任务前，接收卫星导航定位系统经纬度信息，进行位置的校准。

无人潜航器入水执行任务前，加载水下声源系统的经纬度信息。

将无人潜航器和水下声源系统的经纬度信息，转化为以水下声源系统为原点的笛卡尔坐标系下的坐标，水下声源系统的坐标为(0,0,d_s)，无人潜航器的坐标为(x_v,y_v,d_v)，其中，d_s为水下声源系统的布放深度，d_v为无人潜航器的航行深度。

S02、无人潜航器在执行任务前，在水面上执行时间同步指令，同步水下声源系统和无人潜航器内置的时间系统。

S03、水下声源系统向水下发射一定模式的声脉冲，照射指定的作业水域；无人潜航器在指定的作业水域同步接收声脉冲信号。

水下声源系统每秒钟发射10ms的7kHz～9kHz的线性调频信号：

S04、无人潜航器从接收的声脉冲信号中，提取出水下声源系统发射出的直达波分量，估计出水下声源系统的方位角和距离信息。

将采集到的声脉冲信号与线性调频信号进行匹配滤波，匹配滤波输出的波形如图3所示，图中第一个高峰值为水下声源系统发射出的直达波分量，其所对应的时间t_d为直达波到达无人潜航器的时间，根据声速C得到水下声源系统与无人潜航器之间的距离：

l_sv＝C·t_d

根据直达波到达时间t_d和脉冲持续时间T，设置时间窗，截取直达波分量，对无人潜航器声纳系统采集到的声波信号进行傅里叶变换：

S(w)＝FFT[S(t)]

其中，S(t)为声纳阵列的时域信号向量，S(w)为声纳阵列的频域信号向量。然后，从7kHz～9kHz之间选取可用频点S(w_i)，估计出协方差矩阵：

R_i＝E[S(w_i)S^H(w_i)]，i＝1,…M

其中，M为所有可用的频点数量。构建导向矢量：

其中，θ_i为第i个频点估计的水下声源系统方位角，N为无人潜航器声纳系统的阵元总数，C为声速，d为阵元间的间距。

计算每个频点的输出功率：

根据每个频点输出功率的最大值，估计出水下声源系统的方位角：

S05、对无人潜航器的航向角、估计的水下声源系统的方位角和距离信息进行解算，求解出无人潜航器的水下位置信息，修正定位误差。

根据水下声源系统换能器的布放深度d_s、无人潜航器的航行深度d_v、水下声源系统换能器和无人潜航器间的距离l_sv，得到水下声源系统换能器和无人潜航器间的水平距离：

根据水下潜航器的航向角θ_est和h_sv，确定无人潜航器的水平坐标，如图4所示：

图5为无人潜航器计划的航行轨迹，图6为通过定位误差修正方法处理后的无人潜航器航行轨迹对比图，从图中可以看出，修正后的无人潜航器浮出位置与卫星导航定位系统的输出值具有较好的吻合度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无人潜航器双基地声纳系统的定位误差修正方法，其特征在于，包括：

S01、无人潜航器的双基地声纳系统包含无人潜航器本体和分置的水下声源系统；所述水下声源系统和无人潜航器在执行任务前，通过卫星导航定位系统接收经纬度信息，进行位置的校准；

S02、所述无人潜航器在执行任务前，在水面上执行时间同步指令，同步所述水下声源系统和所述无人潜航器内置的时间系统；

S03、所述水下声源系统向水下发射一定模式的声脉冲，照射指定的作业水域；所述无人潜航器在指定的作业水域同步接收声脉冲信号；

S04、无人潜航器从接收的声脉冲信号中，提取出水下声源系统发射出的直达波分量，用于估计水下声源系统的方位角和距离信息；

S05、无人潜航器从自身的惯性测量单元中读取航向角、横滚角、俯仰角、速度以及深度信息；在横滚角、俯仰角、速度以及深度信息保持稳定的情况下，对自身的航向角、估计的水下声源系统的方位角和距离信息进行解算，求解出无人潜航器的水下位置信息，修正定位误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S01中，水下声源系统由换能器(2)和控制系统(1)组成；水下声源系统的换能器(2)布放在水下；水下声源系统的控制系统(1)布放在船上或岸上，随时接收卫星导航定位系统的时间和经纬度信息；无人潜航器在水面上时，接收卫星导航定位系统的时间和经纬度信息；无人潜航器入水执行任务前，加载水下声源系统的三维坐标。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S02中，无人潜航器内装原子钟模块，原子钟模块在水面上执行卫星导航定位系统的时钟同步指令，保证水下声源系统和无人潜航器水下作业时的时间一致性。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S03中，水下声源系统向水下发射的声脉冲为线性调频信号，信号的时域表达式为：

其中，f(t)为t时刻的时域信号；t为时间变量；B为频带宽度；T为脉冲持续时间；f₀为起始频率；要求BT＞＞1。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S04中，无人潜航器用采集到的声脉冲信号与自身生成的线性调频信号进行匹配滤波，匹配滤波输出的波形为：

其中，PP(t)为t时刻匹配滤波输出；

匹配滤波输出的第一个高峰值为水下声源系统发射出的直达波分量，该直达波分量所对应的时间t_d为直达波到达无人潜航器的时间，进而根据声速C，得到水下声源系统与无人潜航器之间的距离l_sv：l_sv＝C×t_d

根据直达波到达时间t_d和脉冲持续时间T，设置时间窗，截取直达波分量，对无人潜航器声纳系统采集到的声波信号进行傅里叶变换：

S(w)＝FFT[S(t)]

其中，S(t)为声纳阵列的时域信号向量，S(w)为声纳阵列的频域信号向量；然后，选取可用频点S(w_i)，根据S(w_i)估计出协方差矩阵R_i：

R_i＝E[S(w_i)S^H(w_i)]，i＝1,...M；

其中，M为所有可用频点数量；i为第i个可用频点；(*)^H为矩阵的共轭转置；

构建导向矢量

其中，θ_i为第i个可用频点估计的水下声源系统方位角；τ₂(θ_i)～τ_N(θ_i)分别为第2～第N个阵元上由水下声源系统的方位角引起的声波到达时延；N为无人潜航器声纳系统的阵元总数；j为虚部符号；

计算每个频点的输出功率，第i个频点的输出功率为

取使第i个频点的输出功率达到最大值的方位角θ_imax，i＝1,...M，取平均得到水下声源系统的方位角：

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述S05中，根据水下声源系统换能器的布放深度d_s、无人潜航器的航行深度d_v、水下声源系统换能器和无人潜航器间的距离l_sv，得到水下声源系统换能器和无人潜航器间的水平距离h_sv：

根据无人潜航器的航向角水下声源系统的方位角θ_est和h_sv，在以水下声源系统为零点的笛卡尔坐标系中，解算出无人潜航器的水平坐标(x_v,y_v)：

其中，为根据/>和θ_est确定的水下声源系统与无人潜航器间连线与正南方向的夹角；

无人潜航器的水下三维坐标为(x_v,y_v,d_v)，完成了无人潜航器水下定位误差的修正。