CN113406645A - 一种新的平均声速水下声呐定位方法 - Google Patents

一种新的平均声速水下声呐定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新的平均声速水下声呐定位方法，属于水声定位技术领域，解决了采用单一声速从而导致的定位精度低的问题，包括在已知海面船的三维位置和水下未知点概略坐标的基础上，通过坐标反算得到声线入射角θi；采用声线跟踪算法计算该入射角θi下水下未知点的精确坐标(X,Y,Z)；改变平均声速值
Figure DDA0003057162050000011
采用平均声速最小二乘法进行定位，直到最佳平均声速使得定位结果(X′,Y′,Z′)与声线跟踪定位结果(X,Y,Z)满足误差要求；变换入射角θi，重复上述步骤，得到入射角与平均声速之间的函数关系，建立基于声线入射角的新的平均声速定位模型；在新的平均声速定位模型下进行定位，得到水下未知点的精确位置(X,Y,Z)，完成对水下目标的快速精确定位。

Description

一种新的平均声速水下声呐定位方法
技术领域
本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种新的平均声速水下声呐定位方法。
背景技术
平均声速定位模式是将区域的单一声速平均值直接用于测距定位，模型最为简单、高效，但忽略了声速误差的影响。声线跟踪算法采用层追加的方法计算声线传播路径，在精确测量声速的基础上，降低声线弯曲误差的影响，获得高精度水下目标点的三维坐标。虽然声线跟踪算法较平均声速定位算法精度有所提高，但也存在定位模型复杂、计算效率低等问题。声线入射角相关误差是影响定位了一项重要误差源，包含测距系统噪声误差以及声速误差、控制点误差等。当观测图形不佳时，声线入射角变化范围较大，平均声速模型误差影响显著，导致定位结果的不准确。建立声线入射角与平均声速的关系，从而建立新的平均声速定位模型，可有效代替单一平均声速引起的声速误差问题。
发明内容
本发明针对现有技术中定位模型复杂、计算效率低等问题，提出了一种新的平均声速水下声呐定位方法，通过建立声线入射角和平均声速的关系，建立新的平均声速定位模型。
本发明具体采用如下技术方案：
一种新的平均声速水下声呐定位方法，包括：
S1.获取海面测船的三维空间位置和水下未知目标应答器的概略坐标；
通过所述概略坐标反算声线入射角；
S2.通过声速剖面仪测得水下未知点所在海域的声速剖面；
使用声线跟踪定位算法计算所述声线入射角下的水下未知点的精确坐标；
S3.采用平均声速最小二乘定位算法进行定位，寻找最佳平均声速；
所述最佳平均声速，满足平均声速最小二乘定位结果与声线跟踪定位结果的误差要求；
S4.变化所述声线入射角，重复步骤S1至S3，得到声线入射角与平均声速之间的函数关系，建立基于声线入射角的新的平均声速定位模型；
S5.在新的平均声速定位模型下进行定位，得到水下未知点的精确位置，完成对水下目标的快速精确定位。
优选地，所述步骤S1包括如下子步骤：
S1.1.通过POS定位定向系统获取海面测船的精确三维位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.2.通过坐标转换，获得测船底部换能器的三维位置(Xi,Yi,Zi)；
S1.3.在已知水下未知目标应答器概略坐标(X0,Y0,Z0)的基础上，通过坐标反算获得此刻的声线入射角θi，公式如下：
Figure BDA0003057162030000021
优选地，所述步骤S2包括如下子步骤：
S2.1.通过声速剖面仪获取水下未知点的水域温度、盐度、压力水文数据，反演水下未知点所在海域的声速剖面，所述声速剖面指声速关于水深的关系；
S2.2.在获得声速剖面的基础上，将该海域分为N层，采用等梯度声线跟踪算法计算第i层的声信号传播的时间ti，公式如下：
Figure BDA0003057162030000022
其中，
Figure BDA0003057162030000023
表示声速梯度，α表示声线掠射角，v表示声速，z表示水深；
S2.3.通过累加传播的时间ti，得到声线总的传播时间
Figure BDA0003057162030000024
S2.4.获取已知实际测量声信号传播时间T，通过最小二乘法得到坐标改正值dx，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb，
其中，A表示雅可比矩阵，P表示观测权阵，b表示测距残差；
S2.5.迭代步骤S2.4，通过dx坐标改正，得到声线入射角θi下，水下目标未知点的精确位置(X,Y,Z)。
优选地，所述步骤S3包括如下子步骤：
S3.1.测得声速剖面后，计算平均声速
Figure BDA0003057162030000025
公式如下：
Figure BDA0003057162030000026
其中，
Figure BDA0003057162030000027
表示平均声速，N表示声速剖面分层数，vi表示第i层声速值；
S3.2.当声速为平均声速
Figure BDA0003057162030000028
时，采用平均声速最小二乘定位算法进行定位，得到声线入射角θi下的水下未知点的粗略坐标(X′,Y′,Z′)；
S3.3.变化平均声速V寻找最佳平均声速
Figure BDA0003057162030000031
使得平均声速最小二乘定位结果(X′,Y′,Z′)与声线跟踪定位结果(X,Y,Z)满足限差要求。
优选地，所述步骤S4包括如下子步骤：
S4.1.通过S1、S2和S3步骤得到在声线入射角θi下的最佳平均声速V′，获得该声速下水下目标未知点的精确位置；
S4.2.通过改变海面测船的位置，改变声线入射角θi；
S4.3.重复S1、S2和S3步骤，建立声线入射角与平均声速之间的函数关系，公式如下：
Figure BDA0003057162030000032
其中，a、b、c表示待定参数；
S4.4.根据平均声速定位原理，在声线入射角与平均声速之间的函数关系基础上，建立新的平均声速定位模型，公式如下：
Figure BDA0003057162030000033
其中，
Figure BDA0003057162030000034
表示距离观测值，
Figure BDA0003057162030000035
表示建立的新的声速函数，ti表示声信号传播时间，εL表示测距误差。
优选地，步骤S5包括如下子步骤：
S5.1.根据S4提出的新的平均声速定位模型，进行线性化，公式如下：
Figure BDA0003057162030000036
其中，ei表示方向余弦，ri表示线性化残余项，ε表示其它误差，ei＝(x0-xi)/di(x0)；
S5.2.进行最小二乘定位解算，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb；
S5.3.得到水下未知点的精确位置(X,Y,Z)″，公式如下：
(X,Y,Z)″＝(X0,Y0,Z0)+dx；
由以上步骤可完成对水下目标的快速精确定位。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
使用新的平均声速水下声呐定位算法代替传统的平均声速定位算法，传统平均声速定位算法默认声速是某一固定值，认为声线是延直线传播的，而实际上受海水中温度、盐度和压力等因素的影响，声线的传播发生了弯曲。受声线弯曲误差的影响，导致测距误差增大，水深越深，影响越大，难以实现高精度的定位。
采用新的平均声速定位模型，充分考虑了声速剖面的影响，具有和声线跟踪算法相当的定位精度，当声线入射角的变化范围较大时，定位精度提升越明显；此外，当对海上某一区域进行重复多次测量的时，可有效提高定位效率，相比声线跟踪算法，可大幅度降低计算成本。
附图说明
图1为采用新的平均声速水声定位模型进行定位的技术流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
一种新的平均声速水下声呐定位方法，技术流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1.在获取海面测船三维空间位置和水下未知目标应答器的概略坐标的基础上，通过坐标反算声线入射角；
S2.通过声速剖面仪CTD测得水下未知点所在海域的声速剖面后，通过声线跟踪算法计算该入射角下水下未知点的精确坐标；
S3.采用平均声速最小二乘法进行定位，找到一个最佳的平均声速使得平均声速最小二乘定位结果与声线跟踪定位结果满足误差要求；
S4.变化声线入射角，重复上述步骤，得到入射角与平均声速之间的函数关系，建立基于声线入射角的新的平均声速定位模型；
S5.在新的平均声速定位模型下进行定位，得到水下未知点的精确位置，完成对水下目标的快速精确定位。
步骤S1包括如下子步骤：
S1.1.POS定位定向系统安装在测船载体上，GNSS接收机和IMU分别接收GNSS观测数据、IMU观测数据以及精密改正信息，根据接收的GNSS观测数据、GNSS精密改正信息和IMU观测数据，进行高精度GNSS/INS组合导航定位，得到测船高精度精确的三维位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.2.在获得测船的高精度三维位置信息后，通过坐标转换，可获得安装在测船底部的换能器的三维位置(Xi,Yi,Zi)；
S1.3.水下应答器的平面位置概略坐标可以通过布防时测得，深度可以通过压力计测得，在已知水下未知目标应答器概略坐标(X0,Y0,Z0)的基础上，可以通过坐标反算，获得此刻声线传播的入射角θi，公式如下：
Figure BDA0003057162030000051
步骤S2包括如下子步骤：
S2.1.在定位前，测船可以将搭载的声速剖面仪CTD放置水下，通过声速剖面仪CTD可以获取水下目标点水域温度、盐度、压力水文数据，可以反演出目标点所在区域的声速剖面，声速剖面是指声速关于水深的关系，它可以反应指定区域，一段时间内声速随水深的变化情况；
S2.2.在获得声速剖面的基础上，可以将目标点所在水域分为N层，采用等梯度声线跟踪算法计算第i层的声信号传播的时间ti，等梯度声线跟踪算法是目前进行水下定位较为准确的一种算法，它修正了由于声速变化引起的声线弯曲误差的影响，公式如下：
Figure BDA0003057162030000052
其中，
Figure BDA0003057162030000053
表示声速梯度，α表示声线掠射角，v表示声速，z表示水深；
S2.3.通过累加传播的时间ti，可得到声线总的传播时间
Figure BDA0003057162030000054
S2.4.换能器能够测量声信号从发射到反馈接收的传播时间，在已知实际测量声信号传播时间T的前提下，可以计算测距差，公式如下：
Figure BDA0003057162030000055
然后，通过最小二乘法得到坐标改正值dx，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb，
其中，A表示雅可比矩阵，P表示观测权阵，b表示测距残差；
S2.5.通过迭代步骤S2.4，通过dx坐标改正，可得在该声线入射角θi下，可得水下目标未知点的精确位置(X,Y,Z)。
步骤S3包括如下子步骤：
S3.1.通过对声速剖面取平均，可以计算平均声速
Figure BDA0003057162030000056
公式如下：
Figure BDA0003057162030000057
其中，
Figure BDA0003057162030000058
表示平均声速，N表示声速剖面分层数，vi表示第i层声速值；
S3.2.当声速为平均声速V时，采用平均声速最小二乘法进行定位，得到该声线入射角θi下目标点得粗略坐标(X′,Y′,Z′)；
S3.3.通过变化平均声速
Figure BDA0003057162030000061
找到一个最佳平均声速
Figure BDA0003057162030000062
使得平均声速最小二乘模型下定位结果(X′,Y′,Z′)与声线跟踪模型下的定位结果(X,Y,Z)满足限差要求，即，Δ(X,Y,Z)＜δ。
步骤S4包括如下子步骤：
S4.1.通过S1、S2和S3步骤可得在入射角θi下，最佳平均声速V′，使得该声速下水下目标未知点的精确位置；
S4.2.通过改变海面测船的位置，可改变声线的传播入射角θi；
S4.3.重复S1、S2和S3步骤，可建立入射角与平均声速之间的函数关系，公式如下：
Figure BDA0003057162030000063
其中，a、b、c表示待定参数，该模式是根据入射角与平均声速之间的函数关系，通过MATLAB拟合得到；
S4.4.根据平均声速定位原理，在入射角与平均声速之间的函数关系基础上，建立新的平均声速定位模型，公式如下：
Figure BDA0003057162030000064
其中，
Figure BDA0003057162030000065
表示距离观测值，
Figure BDA0003057162030000066
表示建立的新的声速函数，ti表示声信号传播时间，εL表示测距误差。
步骤S5包括如下子步骤：
S5.1.根据S4提出的新的平均声速定位模型，可以进行线性化，公式如下：
Figure BDA0003057162030000067
其中，ei表示方向余弦，ri表示线性化残余项，一般可忽略，ε表示其它误差，
ei＝(x0-xi)/di(x0)；
S5.2.进行最小二乘定位解算，得到坐标改正值，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb，
S5.3.通过坐标改正值的改正以及迭代计算，可以得到水下未知点的精确位置(X,Y,Z)″，公式如下：
(X,Y,Z)″＝(X0,Y0,Z0)+dx，
由以上步骤可完成对水下目标的快速精确定位。

Claims (6)

1.一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，包括：
S1.获取海面测船的三维空间位置和水下未知目标应答器的概略坐标；
通过所述概略坐标反算声线入射角；
S2.通过声速剖面仪测得水下未知点所在海域的声速剖面；
使用声线跟踪定位算法计算所述声线入射角下的水下未知点的精确坐标；
S3.采用平均声速最小二乘定位算法进行定位，寻找最佳平均声速；
所述最佳平均声速，满足平均声速最小二乘定位结果与声线跟踪定位结果的误差要求；
S4.变化所述声线入射角，重复步骤S1至S3，得到声线入射角与平均声速之间的函数关系，建立基于声线入射角的新的平均声速定位模型；
S5.在新的平均声速定位模型下进行定位，得到水下未知点的精确位置，完成对水下目标的快速精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下子步骤：
S1.1.通过POS定位定向系统获取海面测船的精确三维位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.2.通过坐标转换，获得测船底部换能器的三维位置(Xi,Yi,Zi)；
S1.3.在已知水下未知目标应答器概略坐标(X0,Y0,Z0)的基础上，通过坐标反算获得此刻的声线入射角θi，公式如下：
Figure FDA0003057162020000011
3.根据权利要求1所述的一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下子步骤：
S2.1.通过声速剖面仪获取水下未知点的水域温度、盐度、压力水文数据，反演水下未知点所在海域的声速剖面，所述声速剖面指声速关于水深的关系；
S2.2.在获得声速剖面的基础上，将该海域分为N层，采用等梯度声线跟踪算法计算第i层的声信号传播的时间ti，公式如下：
Figure FDA0003057162020000012
其中，
Figure FDA0003057162020000013
表示声速梯度，α表示声线掠射角，v表示声速，z表示水深；
S2.3.通过累加传播的时间ti，得到声线总的传播时间
Figure FDA0003057162020000021
S2.4.获取已知实际测量声信号传播时间T，通过最小二乘法得到坐标改正值dx，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb，
其中，A表示雅可比矩阵，P表示观测权阵，b表示测距残差；
S2.5.迭代步骤S2.4，通过dx坐标改正，得到声线入射角θi下，水下目标未知点的精确位置(X,Y,Z)。
4.根据权利要求1所述的一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下子步骤：
S3.1.测得声速剖面后，计算平均声速
Figure FDA0003057162020000022
公式如下：
Figure FDA0003057162020000023
其中，
Figure FDA0003057162020000024
表示平均声速，N表示声速剖面分层数，vi表示第i层声速值；
S3.2.当声速为平均声速
Figure FDA0003057162020000025
时，采用平均声速最小二乘定位算法进行定位，得到声线入射角θi下的水下未知点的粗略坐标(X′,Y′,Z′)；
S3.3.变化平均声速
Figure FDA0003057162020000026
寻找最佳平均声速
Figure FDA0003057162020000027
使得平均声速最小二乘定位结果(X′,Y′,Z′)与声线跟踪定位结果(X,Y,Z)满足限差要求。
5.根据权利要求1所述的一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下子步骤：
S4.1.通过S1、S2和S3步骤得到在声线入射角θi下的最佳平均声速
Figure FDA0003057162020000028
获得该声速下水下目标未知点的精确位置；
S4.2.通过改变海面测船的位置，改变声线入射角θi；
S4.3.重复S1、S2和S3步骤，建立声线入射角与平均声速之间的函数关系，公式如下：
Figure FDA0003057162020000029
其中，a、b、c表示待定参数；
S4.4.根据平均声速定位原理，在声线入射角与平均声速之间的函数关系基础上，建立新的平均声速定位模型，公式如下：
Figure FDA00030571620200000210
其中，
Figure FDA0003057162020000031
表示距离观测值，
Figure FDA0003057162020000032
表示建立的新的声速函数，ti表示声信号传播时间，εL表示测距误差。
6.根据权利要求1所述的一种新的平均声速水下声呐定位方法，其特征在于，步骤S5包括如下子步骤：
S5.1.根据S4提出的新的平均声速定位模型，进行线性化，公式如下：
Figure FDA0003057162020000033
其中，ei表示方向余弦，ri表示线性化残余项，ε表示其它误差，ei＝(x0-xi)/di(x0)；
S5.2.进行最小二乘定位解算，公式如下：
dx＝(ATPA)-1ATPb；
S5.3.得到水下未知点的精确位置(X,Y,Z)″，公式如下：
(X,Y,Z)″＝(X0,Y0,Z0)+dx；
由以上步骤可完成对水下目标的快速精确定位。
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