CN112965032B - 一种基于数字模型的超短基线水声定位系统及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数字模型的用于仿真的超短基线水声定位系统及调试方法，该定位系统用于定位船只，其特征在于，包括：GPS数字模型，其提供用于所述船只的GPS定位数据；电罗经数字模型，其提供所述船只的电罗经数据，用于修正所述船只的定位结果。MRU数字模型，其提供所述船只的纵横摇参数，用于修正所述船只的定位结果。本发明能够基于数字化的GPS模型、电罗经模型及MRU模型，分别为定位过程提供环境参数数据，方便用于定位过程的仿真及多环境工况下的分析，灵活性高，且避免使用实物传感器，降低硬件投入成本。

Description

一种基于数字模型的超短基线水声定位系统及调试方法

技术领域

本发明涉及船只定位技术领域，尤其涉及一种基于数字环境参数模块的超短基线水声定位系统及调试方法。

背景技术

目前，基于声波的水声定位技术在水下作业和深海开发等工程领域中得到了广泛的应用。按照声波接收基阵基线长度来分类，水声定位技术可以分为长基线、短基线和超短基线三种。长基线和短基线水声定位技术定位精度高、距离远，但因其基线较长，存在安装部署困难的问题。超短基线水声定位技术因其基线长度一般仅为几厘米，具有设备体积小、可进行快速部署的优势，在水下作业和深海开发等领域得到了广泛应用。

超短基线水声定位系统工作时，水声定位过程需要解决两个方面的问题：一方面，由于超短基线水声定位系统安装于船只及其他海工作业平台上，平台在海面运行时，受海面风、浪、流等的影响，不可避免的会发生横摇、纵摇、艏向偏移，水声定位过程需要消除上述船只姿态不稳定对定位过程产生的定位计算误差和偏差；另一方面，水声定位过程其参考定位原点是抛投于海底的应答器，水声定位过程本身只能计算相对水下原点的局部定位参考坐标，如果要将局部坐标系转换为全球的定位信息，还需要通过GPS定位信息，通过两者的换算，将局部坐标系下的定位结果转换到全球的全局坐标系中，从而可以实现船只的全球参考系下定位。

在实际的超短基线水声定位系统中，用于获取环境参数的传感器包括GPS、电罗经和MRU（motion reference unit 运动参考单元），其中GPS用于获取船只的GPS定位信息，电罗经是提供方向基准的仪器，能够自动、连续地提供船只的航向信号，并通过航向发送装置将航向信号传递到舰只需要航向信号的各个部位，MRU是比较复杂的传感器，内部集成了很多功能（例如MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）、IMU（惯性测量单元）、深度测量等），用于获取船只的三维姿态数据（例如横摇、纵摇和升沉），这些传感器采集的环境参数数据用于超短基线水声定位过程的辅助参数，实现船只定位准确性。

对单独的超短基线水声定位系统，要模拟其安装在船只上的工作流程和工作状态，以进行仿真运行或故障检测调试，配备实物传感系统则价格昂贵，而将某具体测量结果作为输入数据则灵活性差，并且不能人工调节控制环境参数，仿真时环境工况受限。

发明内容

本发明的实施例的目的之一在于提供一种基于数字模型的超短基线水声定位系统，其基于数字化的GPS模型、电罗经模型及MRU模型，分别为定位过程提供环境参数数据，方便用于定位过程的仿真及多环境工况下的分析，灵活性高，且避免使用实物传感器，降低硬件投入成本。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

本申请涉及一种基于数字模型的用于仿真的超短基线水声定位系统，所述超短基线水声定位系统用于定位船只，其特征在于，包括：

GPS数字模型，其提供用于所述船只的GPS定位数据；

电罗经数字模型，其提供所述船只的电罗经数据，用于修正所述船只的定位结果。

MRU数字模型，其提供所述船只的纵横摇参数，用于修正所述船只的定位结果。

本发明提供的基于数字模型的超短基线水声定位系统，根据数字化的GPS模型、电罗经模型及MRU模型分别为定位过程提供GPS定位数据、电罗经数据和纵横摇参数，方便对多种环境工况下进行仿真模拟，且避免使用实物传感器进行环境参数的采集，降低硬件投入成本，并且有助于在检测出故障时定位故障点位置。

在本申请中，所述GPS数字模型包括：

确定单元，其用于确定船只的初始经纬度坐标(E,N)及当前时间；

设定单元，其用于设定所述当前时间下所述船只的艏向及航行速度、及定位时间间隔；

计算单元，其用于在定位时刻，计算距离上一定位时刻所述船只的航行距离，并根据上一定位时刻下的经纬度坐标(E,N)及所述航行距离，获取定位时刻下新的经纬度坐标(E _t ,N _t )；

输出单元，其根据多个定位时刻下的多组经纬度坐标(E,N)，输出GPS定位数据。

在本申请中，根据上一定位时刻下的经纬度坐标(E,N)及所述航行距离，获取定位时刻下新的经纬度坐标(E _t ,N _t )，具体为：

，

；

其中，L_E为所述航行距离在正东E方向上的分量，L_N为所述航行距离在正北N方向上的分量；V_E表示航行速度V在正东E方向上的速度分量，V_N表示航行速度V在正北N方向上的速度分量，t为定位时间间隔，

是艏向与正北N方向的夹角。

在本申请中，所述GPS定位数据采用GPGGA格式，根据经纬度坐标(E,N)及对应的当前时间，写入对应的GPS定位数据的第一字段、第二字段和第四字段；

其余字段保持与所述船只在所述初始经纬度坐标处的GPS定位数据的对应字段相同。

在本申请中，所述电罗经模型包括：

获取单元，其获取由人工设定的所述船只的艏向值；

读取单元，其读取所述艏向值并将所述艏向值转换为电罗经数据。

在本申请中，所述超短基线水声定位系统还包括：

人机交互接口，所述艏向值通过所述人机交互接口由人工输入。

在本申请中，所述MRU数字模型包括：

第一计算关系式，其表示风速和波浪高度之间的关系；

第二计算关系式，其表示波浪高度和波浪周期的关系；

纵横摇参数计算单元，其接收风速、所述风速下对应的波浪周期，计算所述风速下的纵横摇参数。

在本申请中，所述第一计算关系式具体为：

，

其中W为风速，h _m 为风速W下作用的波浪高度；

所述第二计算关系式具体为：

，其中T _m 为波浪高度h _m 下的波浪周期；

所述纵横摇参数计算单元计算纵横摇参数，具体为：

，其中，A₀、B₀、T₀、T_P和T_R分别表示一定风速下的纵摇摇摆幅值常数、横摇摇摆幅值常数、纵横摇周期比例常数、纵摇摇摆周期常数、以及横摇摇摆周期常数，t为纵横摇持续时间。

在本申请中，所述超短基线水声定位系统具有分别接收所述GPS定位数据、所述电罗经数据及纵横摇参数的第一虚拟通讯串口、第二虚拟通讯串口和第三虚拟通讯串口；

所述超短基线水声定位系统还预留有具有分别用于连接GPS传感器、电罗经和MRU传感器的物理通讯串口。

本申请还涉及一种超短基线水声定位系统的调试方法，包括：

接收来自所述GPS数字模型的GPS定位数据、电罗经数字模型的电罗经数据及MRU数字模型的纵横摇参数，运行水声定位过程，确认水声定位功能、通信接口正常；

断开与所述GPS数字模型、电罗经数字模型及MRU数字模型的通信，接收来自GPS传感器、电罗经及MRU传感器测量的数据，监控水声定位过程是否存在故障；

若水声定位过程存在故障，排查故障发生位置。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提出的超短基线水声定位系统一实施例的结构图；

图2是本发明提出的超短基线水声定位系统一实施例中GPS模型的计算流程图；

图3是本发明提出的超短基线水声定位系统一实施例中MRU模型中获取到的20s纵摇历时曲线；

图4是本发明提出的超短基线水声定位系统一实施例中MRU模型中获取到的20s横摇历时曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

超短基线水声定位系统是常用的水声定位过程，在水声定位过程中，需要GPS定位数据、电罗经数据及MRU数据（主要指纵摇参数和横摇参数），用于辅助船只的定位过程。

为了实现对定位过程的多环境工况仿真，采用数字化的GPS模型代替实物GPS传感器、数字化的电罗经模块代替实物电罗经、数字化的MRU传感器代替实物MRU，来分别获取GPS定位数据、电罗经数据及纵横摇参数，辅助水声定位过程。

可以通过数字化的GPS数字模型、电罗经数字模型及MRU数字模型人工调节控制环境参数型，获取多环境工况下的仿真定位，灵活性高，且避免采用实际的传感器，降低硬件投入成本。

如下将分别具体描述GPS数字模型、电罗经数字模型及MRU数字模型。

GPS数字模型

根据船只的初始经纬度坐标、艏向及航行速度三者关系，生成特定路线区间的GPS定位数据流。

GPS定位数据流形成历史GPS记录定位数据流文件，或者向终端用户发送。

在没有卫星信号的情况下实现模拟定位，完全可以通过计算船只的航行速度、艏向，将船只在一定时间内的航行距离信息转换为大地坐标系下经纬度信息。

且地球上任何一个固定的点都可以用确定的经纬度表示出来。

在本申请中，GPD数字模型包括确定单元、设定单元、计算单元和输出单元。

如下将结合图2的计算流程具体介绍GPS数字模型。

S21：确定初始经纬度坐标（E，N）。

船只从海上某坐标点开始，此时确定单元确定船只的初始经纬度坐标（E，N）。

S22：获取当前时间。

在确定船只的初始经纬度坐标（E，N）的同时，确定单元获取到当前时间。

S23：设定艏向、航行速度及GPS定位的定位时间间隔。

在当前时间下，设定单元设定船只的艏向、航行速度V及定位时间间隔t。

此时，船只的当前状态已确认好.

定位时间间隔t表示每经过时间t后进行GPS定位，每经过时间t后的GPS定位时刻称为定位时刻。

S24：计算t时间后的定位时刻的船只的航行距离。

在S23中确定艏向、航行速度V后，利用如下公式（1）可按照速度矢量分解在东经、北纬两个方向上的分量，此后，分别计算定位时间间隔t后船只在正东E方向上的航行距离的分量L_E（即，）和在正北N方向上的航行距离的分量L_N。

（1）。

其中V_E表示航行速度V在正东E方向上的速度分量，V_N表示航行速度V在正北N方向上的速度分量，

是艏向与正北N方向的夹角。

并且，根据船只的航行距离的分量L_E和L_N，也可以计算出当前定位时刻的艏向及航行速度。

S25：计算t时间后的定位时刻的船只的新的经纬度坐标（Et，Nt）。

计算当前维度处，每1m位移折合经纬度信息。

沿经度方向，每1m折合1.1097E-05°；沿纬度方向，每1m折合9.00901E-06°。

利用如下公式（2）可以计算当前定位时刻的船只的经纬度坐标（Et，Nt）。

（2）。

据此，可以根据初始经纬度坐标（E，N）为起点，沿东经、北纬方向上的累加，获得定位时刻的经纬度坐标（Et，Nt）。

如上所述的S24和S25过程均是计算单元所执行的。

S26：根据经纬度坐标（Et，Nt），输出GPS定位数据。

输出单元用于接收经纬度坐标（Et，Nt），并输出适合于通讯的对应GPS定位数据的通讯数据。

在本申请中，GPS定数数据一般采用GPGGA格式，该格式下的GPS定位信息标准传输格式定义为：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh<CR><LF>。

定义中，$GPGGA表示起始引导符，*为语句结束标志符，hh从$开始到*之间的所有ASCII码的异或校验。

各数据位的定义如下：

<1> 是UTC时间，格式为hhmmss.sss（时分秒）；

<2> 是纬度，格式为ddmm.mmmm（即，dd度，mm.mmmm分）（第一位是零也将被传送）；

<3> 是纬度半球，N（北纬）或S（南纬）；

<4> 是经度，格式为dddmm.mmmm（即，ddd度，mm.mmmm分）（第一位是零也将被传送）；

<5> 是经度半球，E（东经）或W（西经）；

<6> 是GPS状态：0未定位，1非差分定位，2差分定位，3无效PPS，4固定解，5浮点解，6正在估算7，人工输入固定值，8模拟模式，9WAAS差分；

<7> 使用卫星数量，从00到12（第一个零也将被传送）；

<8> 是HDOP-水平精度因子，从0.5到99.9；

<9> 是海拔高度，从-9999.9到99999.9；

M指单位米；

<10> 是地球椭球面相对大地水准面的高度，从-9999.9到99999.9；

M指单位米；

<11> 是差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）

<12> 是差分参考基站标号，从0000~1023（首位0也将被传送，如果不是差分定位将为空）。

<CR> 回车符，结束标记。

<LF> 换行符，结束标记。

一行GPGGA格式下的完整的GPS定位传输数据如下所示：

$GPGGA,014919.000,3958.8052,N,11629.9022,E,1,15,0.86,56.3,M,-5.7,M,,*41。

GPS数字模型模拟船只实际航行过程中的GPS定位数据，由于GPS安装参数固定、航行在某一小海域附近时，<3>、<5>、<6>至<12>项数据可以认为是基本不变或不需要改变；定位数据只需获得<1>、<2>、<4>三项数据即可模拟船只航行GPS定位数据的变化。

通过S25中获取的经纬度坐标（Et，Nt），采用如上所述的GPGGA格式，就可以输出GPS定位数据。

S27：根据所需要的多个定位时刻，循环执行S24至S26的过程，获取多个GPS定位数据，以形成GPS定位数据流文件。

根据初始设定的航行速度和艏向，将速度分解到正东、正北，每t时间计算一次新的GPS定位位置信息，连续计算若干时间（例如110s），迭代执行S24至S26，历史GPS定位数据文件流。

即，从初始时刻开始，10s、20s、30s、......、110s后的经纬度坐标及GPS定位数据。

通过网络百度地图获得的青岛附近海域（120.315671,36.043479）经纬度坐标点，假设该点为某船初始位置点。

初始经纬度坐标点（120.315671,36.043479）中经度120.315671采用ddd.dddd的形式，纬度36.043479采用dd.dddd的形式进行。

而GPGGA格式中的<2>项纬度采用格式为ddmm.mmmm；<4>项经度采用格式为dddmm.mmmm。

在计算机或GPS数据表示中，度、分、秒之间的数据进制是60进制。

120.315671°转换过程：度为120°，分为0.315671*60=18.9403′。

36.043479°转换过程：度为36°，分为0.043479*60=2.6087′。

因此，经度120.315671对应GPGGA格式中的第<4>项为12018.9403，纬度36.043479对应GPGGA格式中的第<4>项为3602.6087。

因此，对应如上所述的初始经纬度坐标，获得的初始GPS定位数据为：

$GPGGA,134741.150,3602.6087,N,12018.9403,E,1,15,0.86,56.3,M,-5.7,M,,*43。

假设在时刻时间为142321.360时，即下午14点23分21.360秒，初始设定船只基本信息为相对正北航向35°，航行速度4节。

根据如上所述的计算方式，迭代计算110s，形成的GPS历史定位数据流如下表。

电罗经数字模型

在超短基线水声定位中，电罗经是用于测量船只行驶方向的传感设备。

在超短基线水声定位时，电罗经检测当前船只的艏向，以特定通信格式向超短基线水声定位系统发送，以修正水声定位结果。

电罗经测量船只艏向范围为0°至360°。

在实际中，艏向的确定是由操舵人员设定，由电罗经测量获得，因此，本申请中，电罗经数字模型是基于模拟人工驾驶的模型。

在本申请中，电罗经数字模型包括获取单元和读取单元。

通过模拟人工操作船只艏向，艏向值范围由人工在0°至360°范围内设定，默认艏向值是航向与正北方向夹角的值。

获取单元用于获取由人工设定好的船只的艏向值。

在本申请中，人工通过人机交互接口设定艏向值。

当然，也可以采用软件写入的方式、键盘输入的方式、或旋钮调整的方式设定艏向值。

在设定好艏向值后，读取单元读取艏向值并将艏向值转换为电罗经数据。

在本申请中，电罗经数据采用标准数据通信格式生成电罗经数据流。

具体地，常见的电罗经数据传输协议格式包括NMEA、Yokogawa、SKR、STL等，其中NMEA是一种国际通用标准协议格式，采用此格式为例进行说明。

NMEA $**HDT格式的传输协议，其标准语句格式为：

$**HDT,<heading>,T*<check sum> CRLF；

其中$为起始传输识别符；

**为电罗经设备发出的特定字符；

<heading>位置处为电罗经数据，其格式可根据设定为两位有效数如“000.00”；

<check sum>为“$”符号到“*<”之间所有字符按位校验获得的结果。

CRLF为回车换行。

通过模拟电罗经数字模型的人机交互，设定艏向为35°，按照格式NMEA $**HDT生成的电罗经模型，其信号通信传输数据流为：$HEHDT,035.00,T*23，如航向不变，由电罗经数字模型定期向终端用户发送通信传输数据流。

不同艏向值下电罗经数字模型发出的电罗经通信数据如下表。

MRU数字模型

在较复杂的海况下，无约束的船只具有六个自由度的摇荡运动。可以把船只看作刚体。这六个自由度的运动是船只由于海浪的作用所产生的绕三个坐标轴的转动，即横摇（roll）、纵摇（pitch）和艏摇（yaw），以及沿三个坐标轴的位移，即纵荡（surge）、横荡（sway）和升沉（heave）。

在船只的上述六个自由度摇荡运动中，横摇（roll）、纵摇（pitch）和升沉（heave）对船只的安全运行以及船只的设备是否能有效发挥设计能力具有很大的影响。

超短基线水声定位系统中MRU系列的运动姿态传感器测量的参数即是横摇、纵摇和升沉这三个参数。

在本申请中，主要获取横摇参数（包括横摇峰值及周期）和纵摇参数（包括纵摇峰值及周期）。

一般波浪的生成与风具有一定的相关性，根据统计规律，风很弱时，海面保持平静，但当风速达到0.25-1m/s时，就产生毛细波；毛细波随着风力的增加，会不断发展，当风速达到临界风速0.7-1.3m/s时，可初步形成风成波，风成波是由风能引起，靠风对波浪迎风面上的正压力和切应力把风能传给波浪。

在本申请中，基于风场耦合的模拟MRU数字模型用于模拟MRU传感器测量纵横摇姿态参数，作为输入，用于支持超短基线水声定位过程对定位结果的修正。

模拟MRU数字模型主要用于模拟风浪作用于船体时产生的纵横摇变化结果。

采用时间序列分析方法，利用船只的历史纵横摇数据的峰值及周期，建立纵横摇时间序列模型，通过风场对海浪、海浪对纵横摇的耦合，对纵横摇时间序列模型的峰值、周期进行加权，建立船只在未来一个纵横摇周期内的纵横摇角度变化模型。

在本申请中，MRU数字模型包括第一计算关系式、第二计算关系式和纵横摇参数计算单元。

第一计算关系式表示风速与波浪高度之间的关系，用于获取风场对波浪高度的影响。

需要说明的是，如上所述的波浪高度指有义波高。

第二计算关系式表示波浪高度与波浪周期之间的关系，用于获取风场对波浪周期的影响。

纵横摇参数计算单元用于根据风场对波浪高度、波浪周期的影响，对纵横摇时间序列模型的峰值、周期进行加权，获得该风速下的纵横摇角度变化模型。

在一个纵横摇周期内，可以简单地认为纵横摇变化接近正余弦曲线，因此，获取纵横摇参数主要是获取纵横摇峰值及周期。

根据某特定风速下的初始状态（包括纵摇峰值、纵摇周期、横摇峰值及横摇周期），后续根据风场对波浪高度、波浪周期的影响，进而对纵横摇峰值、周期进行加权，建立一个周期内风场耦合下的MRU数字模型。

根据《船舶设计使用手册（总体分册）》（以下简称“设计手册”），采用设计手册中风速对应的波浪高度作为风速与波浪高度的映射关系，获取风速与波浪高度的关系。

具体地，根据设计手册中数据，由于风速与对应波浪高度的变化曲线在风速位于4-6m/s区间时有一段较大波动，在6.5m/s处作为断点，因此，利用该些数据，拟合分段式的风速-波浪高度曲线方程式，即，获得第一计算关系式，如下公式（3），以获取风速与波浪高度之间的关系。

即，低于等于6.5m/s时的风速的数据拟合为三阶多项式、高于6.5m/s的风速的数据段拟合为二阶多项式。

（3）。

其中W为风速，h _m 为该风速下对应的波浪高度。

由此，根据公式（3）可以获得在某风速下的波浪高度。

第二计算关系式是根据国家提防工程规范（GB-50286-98）公式（即，莆田试验站风浪计算经验公式），其描述了波浪周期与波浪高度之间的关系式，以利用波浪高度计算波浪周期，参见如下公式（4）。

（4）。

其中h _m 为该风速下对应的波浪高度，T _m 为该风速下对应的波浪周期。

如上所述，在一个纵横摇周期内，可以简单地认为纵横摇变化接近正余弦函数，该函数的幅值和周期与波浪的波浪高度和波浪周期是成正比关系的，因此，纵横摇参数计算单元可以采用如下公式（5）来获取风速与波浪周期对纵横摇单周期内峰值、周期的影响，以构建MRU测量纵横摇的耦合加权模型。

（5）。

其中，A₀、B₀、T₀、T_P和T_R分别表示一定风速下的纵摇摇摆幅值常数、横摇摇摆幅值常数、纵横摇周期比例常数、纵摇摇摆周期常数、以及横摇摇摆周期常数，t为纵横摇持续时间。

且如上所述的A₀、B₀、T₀、T_P和T_R分别均可以通过某特定风速下的初始状态（包括纵摇峰值、纵摇周期、横摇峰值及横摇周期）获取到。

因此，例如随机生成风速W时，能够根据公式（3）和（4）计算得到对应该风速W的波浪周期T _m 。

将风速W的波浪周期T _m 带入公式（5），获取到纵摇参数Pitch（包括纵摇峰值（即，纵摇摆角峰值）和纵摇周期）和横摇参数Roll（包括横摇峰值（即，横摇摆角峰值）和横摇周期）。

例如，随机风场作用下，随机生成风速为20.46m/s时，根据公式（3）获取到对应波浪高度h _m =5.58m，根据公式（4）计算波浪周期T _m =10.48s。

假设纵横摇单周期历时值为纵摇峰值为0.03°、纵摇周期为6.8s，横摇峰值为0.15°、横摇周期为10.4s，将此纵横摇单周期历时值作为初始数据。

根据随机风速20.46m/s下计算的波浪高度h _m =5.58m、波浪周期T _m =10.48s，及公式（5），获取新的纵横摇参数的修正结果Pitch和Roll，例如，纵摇峰值修正值为3.84°、周期修正值为10.16s，横摇峰值修正值为19.2°、周期修正值为15.55s。

图3示出了在风速W=20.46m/s作用下由MRU数字模型输出的20s内纵摇历时曲线。

图4示出了在风速W=20.46m/s作用下由MRU数字模型输出的的20s内横摇历时曲线。

需要说明的是，在利用公式（5）计算新的新的纵横摇参数的修正结果时，需要利用初始数据事先计算出A₀、B₀、T₀、T_P和T_R。

MRU传感器的通信方式采用串口RS232/422方式，通信数据格式为EM3000，该通信数据格式的定义为10字节定长度数据，采用单字节无符号整型、双字节无符号整型、整数二进制补码等三种形式。例如，选择整数二进制补码通信格式具体定义为如下表。

如上所述的纵横摇参数对应写入EM3000通信数据格式中的对应字节。

例如，当Roll=2.0，Pitch=-2.0时

EM3000通信数据为：9090 C800 38FF 5900 963C。

采用如上所述的GPS数字模型获取GPS通信数据流、电罗经数字模型获取的电罗经通信数据流及MRU数字模型获取的纵横摇参数通信数据流，辅助超短基线水声定位过程中的水声定位。

GPS数字模型、电罗经数字模型、MRU数字模型需要通过数字接口与超短基线水声定位系统建立通信，才能将各模型得到的数据流接入系统，仿真模拟超短基线水声定位过程。

由于系统运行于一台工控机系统中，不需要其他辅助通信设备硬件进行支持，因此，通过虚拟串口软件，在系统中通过构建虚拟通讯串口的通信通道，实现软件内模拟硬件通信，实现上述三个数字模型向超短基线水声定位系统的数据传输，其架构参见图1所示。

为了同时能够保证接入实物传感器，该系统还保留了物理通讯串口（参见图1中虚线框），在需要时，可以直接外接实际的环境参数传感器，即，GPS传感器、电罗经及MRU传感器，直接获得真实的环境参数数据。

如上所述的GPS数字模型、电罗经数字模块和MRU数字模型生成的数据流，经过各自模型校验后，向虚拟通信串口按标准通信协议发送结果，模拟实物传感系统向超短基线水声定位系统发送传感结果的过程，用于支持超短基线水声定位系统水声定位过程模拟。虚拟通信串口的通信配置参数与通信模式与物理通讯串口完全一致。

利用该超短基线水声定位系统，除了仿真模拟水声定位外，还可以对系统进行调试。

首先，通过数字模型向超短基线水声定位系统发送模拟环境传感参数模型，包括GPS定位参数、电罗经艏向参数、MRU的纵横摇参数，仿真运行超短基线水声定位过程，确认当前单机功能、通信接口配置正常；

其次，将超短基线水声定位系统接收的环境参数改为通过物理通信串口接收，传入实物GPS传感器、电罗经、MRU传感器测量的数据，并监控超短基线水声定位过程是否存在异常或报警等故障，如定位信息丢失、艏向丢失、MRU无数据等；

再者，根据故障信息，排查对应的实物传感器，按照接收端接口参数配置、物理通讯串口接线、线缆连接、发送端设备工作状态、发送端接口参数配置的顺序逐一排查故障可能发生的部位。

在故障修复、调试过程可再次切换数字模型，比对数字模型与实物传感器支持下超短基线水声定位系统的定位结果是否结果吻合，以检测物理线路、接口、传感器参数配置、设备运行等是否存在故障。

采用数字模型对超短基线水声定位系统进行调试，使调试该系统具有了参考信息，便于调试该系统，为用户调试系统提供了便利条件；且采用数字模型与实物传感器之间的切换，方便定位故障位置，便于快速找到故障，提升用户使用体验。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于数字模型的超短基线水声定位系统，所述超短基线水声定位系统用于定位船只，其特征在于，包括：

GPS数字模型，其提供用于所述船只的GPS定位数据；

电罗经数字模型，其提供所述船只的电罗经数据，用于修正所述船只的定位结果；

MRU数字模型，其提供所述船只的纵横摇参数，用于修正所述船只的定位结果；

所述MRU数字模型包括：

第一计算关系式：

，

其中W为风速，h _m 为风速W下作用的波浪高度；

第二计算关系式：

，其中T _m 为波浪高度h _m 下的波浪周期；

纵横摇参数计算单元，其接收风速W、所述风速W下对应的波浪周期T _m ，计算所述风速W下的纵横摇参数Pitch和Roll：

，其中，A₀、B₀、T₀、T_P和T_R分别表示一定风速下的纵摇摇摆幅值常数、横摇摇摆幅值常数、纵横摇周期比例常数、纵摇摇摆周期常数、以及横摇摇摆周期常数，t为纵横摇持续时间。

2.根据权利要求1所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，所述GPS数字模型包括：

确定单元，其用于确定船只的初始经纬度坐标(E,N)及当前时间；

设定单元，其用于设定所述当前时间下所述船只的艏向及航行速度、及定位时间间隔；

计算单元，其用于在定位时刻，计算距离上一定位时刻所述船只的航行距离，并根据上一定位时刻下的经纬度坐标(E,N)及所述航行距离，获取定位时刻下新的经纬度坐标(E _t , N _t )；

输出单元，其根据多个定位时刻下的多组经纬度坐标(E,N)，输出GPS定位数据。

3.根据权利要求2所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，根据上一定位时刻下的经纬度坐标(E,N)及所述航行距离，获取定位时刻下新的经纬度坐标(E _t ,N _t )，具体为：

，

；

其中，L_E为所述航行距离在正东E方向上的分量，L_N为所述航行距离在正北N方向上的分量；V_E表示航行速度V在正东E方向上的速度分量，V_N表示航行速度V在正北N方向上的速度分量，t为定位时间间隔，

是艏向与正北N方向的夹角。

4.根据权利要求2或3所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，

所述GPS定位数据采用GPGGA格式，根据经纬度坐标(E,N)及对应的当前时间，写入对应的GPS定位数据的第一字段、第二字段和第四字段；

其余字段保持与所述船只在所述初始经纬度坐标处的GPS定位数据的对应字段相同。

5.根据权利要求1所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，所述电罗经模型包括：

获取单元，其获取由人工设定的所述船只的艏向值；

读取单元，其读取所述艏向值并将所述艏向值转换为电罗经数据。

6.根据权利要求5所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，所述超短基线水声定位系统还包括：

人机交互接口，所述艏向值通过所述人机交互接口由人工输入。

7.根据权利要求1所述的超短基线水声定位系统，其特征在于，

所述超短基线水声定位系统具有分别接收所述GPS定位数据、所述电罗经数据及纵横摇参数的第一虚拟通讯串口、第二虚拟通讯串口和第三虚拟通讯串口；

所述超短基线水声定位系统还预留有具有分别用于连接GPS传感器、电罗经和MRU传感器的物理通讯串口。

8.一种权利要求1至7中任一项所述的超短基线水声定位系统的调试方法，其特征在于，包括：

接收来自所述GPS数字模型的GPS定位数据、电罗经数字模型的电罗经数据及MRU数字模型的纵横摇参数，运行水声定位过程，确认水声定位功能、通信接口正常；

断开与所述GPS数字模型、电罗经数字模型及MRU数字模型的通信，接收来自GPS传感器、电罗经及MRU传感器测量的数据，监控水声定位过程是否存在故障；

若水声定位过程存在故障，排查故障发生位置。

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