CN113654553B - 一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水下目标定位技术领域，具体涉及的是一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统及定位方法。该定位系统包括逆超短基线圆柱阵、应答器、捷联惯导系统和多普勒计程仪；逆超短基线圆柱阵安装在水下移动载体的底部或者顶端，为五元十字阵，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；应答器安装在海底基站或水面母船底部；捷联惯导系统安装在水下移动目标载体上，用于获得包括速度、姿态在内的信息；多普勒计程仪安装在水下移动载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。本发明的系统在定位工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，可以满足定位系统自主性、自适应、智能化、低功耗等要求。

Description

一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及水下目标定位技术领域，具体涉及的是一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统及定位方法。
背景技术
海洋声学技术在水下目标探测、ROV导航、AUV作业、拖曳跟踪、资源勘探等领域一直发挥着重要作用，并且声波是水下设备进行远距离通信、定位、导航的唯一介质。
水下声学定位系统及方法的研究是海洋装备开发不可逾越的障碍，现有的声学定位系统主要有长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统三种。
长基线和短基线定位系统相对于超短基线定位系统来说，虽然定位精度高，但是布放和校正复杂、耗时多、缺乏灵活性。
超短基线定位系统的特点则是安装方便、操作简单、成本低廉、精度高，非常适用于水下目标的定位、跟踪、导航和通信。
传统的超短基线定位系统的声收发器(坐标已知)安装在水面母船上，用于跟踪定位水下移动载体，水下移动载体上安装应答器(坐标未知)。水面声收发器询问应答器，应答器应答，声收发器通过测量声波往返时间确定斜距，通过测量应答器信号的相位差确定方位角，从而完成水下移动载体的跟踪与定位，可以人为干预与控制。
由于超短基线定位系统需要时间同步及询问，因此，针对水下移动目标的定位过程比较复杂，不利于定位的智能化低功耗要求的实现。
发明内容
本发明的目的在于针对目前水下声学定位系统所在的不足，提供一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统，这种系统是一种免询问实时的基于逆超短基线的圆柱阵定位系统。同时还针对该系统提供了一种相应的定位方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统，该定位系统包括逆超短基线圆柱阵、应答器、捷联惯导系统和多普勒计程仪；
逆超短基线圆柱阵安装在水下移动载体的底部或者顶端，为五元十字阵，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；
应答器安装在海底基站或水面母船底部；
捷联惯导系统安装在水下移动目标载体上，用于获得包括速度、姿态在内的信息；
多普勒计程仪安装在水下移动载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。
传统的超短基线定位系统的声收发器(坐标已知)安装在水面母船上，用于跟踪定位水下移动载体，水下移动载体上安装应答器(坐标未知)；水面声收发器询问应答器，应答器应答，声收发器通过测量声波往返时间确定斜距，通过测量应答器信号的相位差确定方位角，从而完成水下移动载体的跟踪与定位，可以人为干预与控制。
而本申请中的逆超短基线声收发器(坐标未知)安装在水下移动载体上，用于自主跟踪定位应答，自主引导水下移动载体的运动。
应答器一般安装在海底基站、水面母船或其他平台载体上。此种用法的声收发器与应答器安装位置刚好与常规的超短基线反过来，故谓之“逆”超短基线。原则上，无需人为干预，但必要时可由母船通过水声通信进行人为控制。
进一步的，逆超短基线圆柱阵中的四个水听器两两为一组，第一组均匀分布在圆柱阵上平面的圆环上，第二组均匀分布在圆柱阵下平面的圆环上；发射换能器位于圆柱阵上平面水听器所在圆环的圆心处。
进一步的，第一组两个水听器的连线与第二组两个水听器的连线在空间中呈垂直分布。
进一步的，姿态信息包括航向角、纵倾角、横摇角。
进一步的，所述逆超短基线圆柱阵和应答器均集成有压力传感器。
一种基于上述定位系统的定位方法，包括以下步骤：
(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；应答器发射的声信号为复杂宽带编码信号；
(2)逆超短基线圆柱阵上的四个接收水听器接收所述应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与正交解调技术，计算应答器相对圆柱阵的方位角信息；
(3)分别根据压力传感器获得逆超短基线圆柱阵和应答器的深度信息，从而得到逆超短基线圆柱阵和应答器的深度差信息；
(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述圆柱阵的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；
(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导系统获得速度、姿态信息；
(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪获得水下载体相对于海底的速度信息；
(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息和步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现对水下移动目标载体的精确定位。
进一步的，所述步骤(4)得到圆柱阵的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高逆超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度。
进一步的，修正的步骤具体包括：
a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制折射、反射、散射等现象引起的不良影响；
b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c)根据RAKE接收、时间反转原理提高逆超短基线的水声信道适应能力。
进一步的，步骤(2)中的方位角信息包括水平角和俯仰角。
本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明在逆超短基线圆柱阵和应答器上均集成了压力传感器，利用压力传感器给出的深度信息，而非传统的测量声信号往返时间来获得声收发器与应答器之间的斜距信息，该系统还结合复杂宽带编码的多普勒补偿与正交解调技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术、基于多传感器协同的免校准技术，使得逆超短基线定位系统在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，可以满足定位系统自主性、自适应、智能化、低功耗等要求。
附图说明
图1为本发明的总思路框图。
图2为本发明的声学定位解算几何关系示意图。
图3为水下目标在东北天坐标系中的姿态角示意图。
具体实施方式
现在将进一步细化基于附图所示的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。
本实施例给出了一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统，具体的，该定位系统包括逆超短基线圆柱阵、应答器、捷联惯导系统SINS和多普勒计程仪DVL。
逆超短基线圆柱阵，安装在水下移动载体的底部或者顶端，为五元十字阵，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；逆超短基线圆柱阵中的四个水听器两两为一组，第一组均匀分布在圆柱阵上平面的圆环上，第二组均匀分布在圆柱阵下平面的圆环上；发射换能器位于圆柱阵上平面水听器所在圆环的圆心处。第一组两个水听器的连线与第二组两个水听器的连线在空间中呈垂直分布。
应答器安装在海底基站或水面母船底部；所述逆超短基线圆柱阵和应答器均集成有压力传感器。
捷联惯导系统安装在水下移动目标载体上，用于获得包括速度、姿态在内的信息；姿态信息包括航向角、纵倾角、横摇角。
多普勒计程仪安装在水下移动载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息。
一种基于上述定位系统的定位方法，步骤具体如下。
(1)在5000m作用距离、1000m深度范围内，应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；应答器发射的声信号为复杂宽带编码信号。
(2)逆超短基线圆柱阵上的四个接收水听器接收所述应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与正交解调技术，计算应答器相对圆柱阵的方位角信息，方位角信息包括水平角和俯仰角。
(3)分别根据压力传感器获得逆超短基线圆柱阵和应答器的深度信息，从而得到逆超短基线圆柱阵和应答器的深度差信息。
(4)根据步骤(2)获得的方位角信息和步骤(3)获得的深度差信息，通过几何关系获得所述圆柱阵的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；得到圆柱阵的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高逆超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度。修正的步骤具体包括：
a)根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制折射、反射、散射等现象引起的不良影响；
b)根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c)根据RAKE接收、时间反转原理提高逆超短基线的水声信道适应能力。
(5)根据水下移动目标载体上的捷联惯导系统获得速度、姿态信息。
(6)根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪获得水下载体相对于海底的速度信息。
(7)利用卡尔曼滤波器融合步骤(4)获得的相对位置信息、步骤(5)获得的速度及姿态信息和步骤(6)获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现对水下移动目标载体的精确定位。
关于上述系统及其方法的综合思路如下：
如图1所示，该系统采用捷联惯导与多普勒计程仪的组合定位导航方法，捷联惯导测量获得的速度、姿态(含航向角、纵倾角、横摇角等)等信息与多普勒计程仪测量获得的水下载体与海底相对速度信息通过卡尔曼滤波器有机融合，为水下载体提供精确定位导航。
并采用基于逆超短基线的圆柱阵定位方法为水下载体提供低功耗免询问定位导航技术。逆超短基线利用其自身获得方位信息并融合捷联惯导获得的精确姿态信息，通过动态滤波处理精确水下载体的位置。
在此基础上，还应用海洋环境效应分析结果及其环境自适应技术、复杂宽带编码信号的多普勒补偿及正交解调技术、多途信道估计技术，可显著提高对水下载体的定位精度。
水下载体的定位导航主要涉及到卫星导航、惯性导航与逆超短基线声学导航，卫星导航为水下载体提供水面初始位置，水下定位导航主要依靠逆超短基线与惯性导航，惯性导航使用高精度陀螺仪、加速度计与磁强计测量数据，通过姿态矩阵求解得到水下载体运动速度与航向姿态，然后通过卡尔曼滤波器联合逆超短基线的声学导航定位信息进行数据融合完成对水下载体的航位推算。
实际应用中，如图2所示，关于定位系统，具体的是：四个接收水听器位于对应的两个圆环上，分别编号为9#、6#、5#、11#。6号水听器和5号水听器的连线在X轴上，X轴的正方向由6号水听器指向5号水听器。11号水听器和9号水听器的连线平行于Y轴，在Y轴正下方垂直距离h处，Y轴的正方向与11号水听器指向9号水听器的方向一致。逆超短基线声阵坐标系的Z轴垂直于XY平面，方向向下。
设声阵坐标系与水下移动载体(以水下无人航行器UUV为例)坐标系完全一致。应答器位于T处，为逆超短基线定位系统的已知位置，假设其在声阵坐标系中的坐标为(x,y,z)，XY平面的原点(圆柱阵上平面水听器所在圆环的圆心)为待定位点，设为O。
声阵坐标系原点与水下应答器之间的连线为斜距R，斜距R在XY平面投影与X轴正向之间的夹角为θ，斜距R与Z轴正向之间的夹角为
在声阵坐标系中，声波的入射方向可用其单位矢量u来表示：
在声阵坐标系中，水听器坐标ri可表示为：
ri＝(xi,yi,zi)；
其中i＝5,6,9,11。
以声阵坐标系原点为参考阵元，则各阵元由声程差引起的相移为：
其中ω为声波频率，c为声速。
由波束形成原理可解得角θ和角的值。
在声阵坐标系中，应答器在Z轴方向的位置可以表示如下：
z＝H＝H1-H2；
其中，
H1为水下应答器的深度信息，由水下应答器的集成压力传感器提供；
H2为超短基线声阵的深度信息，由超短基线声阵的集成压力传感器提供。
由图2的几何关系可知：
则在声阵坐标系中，水下应答器位置为：
设UUV在大地坐标系中的位置为ExUUV＝(ExUUV,EyUUV,EzUUV)，在声阵坐标系中的位置为AxUUV＝(AxUUV,AyUUV,AzUUV)。
则ExUUV＝RMRU AxUUV，其中RMRU为声阵坐标系向大地坐标系转换的旋转矩阵。
由图3知，
其中：
航向角α，水平面内，航行器前进方向与正北方向夹角，向东为正；
俯仰角β，前进方向与水平面的夹角，从水平面起机首向上为正；
横滚角γ，航行器的右侧方向与水平面的夹角，从水平面起右侧方向向上为正。
设应答器在大地坐标系中的位置为：
ExT＝(ExT,EyT,EzT)；
则：
ExT＝RMRU AxT；
又因为：
所以：
其中
即得到水下移动载体在大地坐标系中的坐标，完成定位。
注：大地坐标系{E}定义为：
原点：赤道与中央子午线的交点；
N轴：指向正北方向；
E轴：指向正东方向；
U轴：指向天顶方向。
本发明在逆超短基线圆柱阵和应答器上均集成了压力传感器，利用压力传感器给出的深度信息，而非传统的测量声信号往返时间来获得声收发器与应答器之间的斜距信息，该系统还结合复杂宽带编码的多普勒补偿与正交解调技术、基于多源信息融合的动态快速定位技术、基于多传感器协同的免校准技术，使得逆超短基线定位系统在工作过程中无需时间同步，无需询问，大大简化了水下移动目标的定位过程，可以满足定位系统自主性、自适应、智能化、低功耗等要求。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于逆超短基线的圆柱阵定位系统，其特征在于：
该定位系统包括逆超短基线圆柱阵、应答器、捷联惯导系统和多普勒计程仪；
逆超短基线圆柱阵安装在水下移动载体的底部或者顶端，为五元十字阵，由四个接收水听器和一个发射换能器组成；
应答器安装在海底基站或水面母船底部；
捷联惯导系统安装在水下移动目标载体上，用于获得包括速度、姿态在内的信息；
多普勒计程仪安装在水下移动载体上，获得水下载体相对于海底的速度信息；
逆超短基线圆柱阵中的四个水听器两两为一组，第一组均匀分布在圆柱阵上平面的圆环上，第二组均匀分布在圆柱阵下平面的圆环上；发射换能器位于圆柱阵上平面水听器所在圆环的圆心处；
第一组两个水听器的连线与第二组两个水听器的连线在空间中呈垂直分布；
姿态信息包括航向角、纵倾角、横摇角；
所述逆超短基线圆柱阵和应答器均集成有压力传感器；
逆超短基线声阵坐标系的Z轴垂直于XY平面，方向向下；
为声阵坐标系向大地坐标系转换的旋转矩阵，
；
其中：
航向角，水平面内，航行器前进方向与正北方向夹角，向东为正；
俯仰角，前进方向与水平面的夹角，从水平面起机首向上为正；
横滚角，航行器的右侧方向与水平面的夹角，从水平面起右侧方向向上为正。
2.一种基于权利要求1所述定位系统的定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在5000m作用距离、1000m深度范围内，应答器接收一次声学信号唤醒之后按预先设定的时间间隔发射声信号；应答器发射的声信号为复杂宽带编码信号；
（2）逆超短基线圆柱阵上的四个接收水听器接收所述应答器发射的复杂宽带编码信号，通过宽带编码信号的多普勒补偿与正交解调技术，计算应答器相对圆柱阵的方位角信息；
（3）分别根据压力传感器获得逆超短基线圆柱阵和应答器的深度信息，从而得到逆超短基线圆柱阵和应答器的深度差信息；
（4）根据步骤（2）获得的方位角信息和步骤（3）获得的深度差信息，通过几何关系获得所述圆柱阵的相对位置信息，实现免询问快速定位功能；
（5）根据水下移动目标载体上的捷联惯导系统获得速度、姿态信息；
（6）根据水下移动目标载体上的多普勒计程仪获得水下载体相对于海底的速度信息；
（7）利用卡尔曼滤波器融合步骤（4）获得的相对位置信息、步骤（5）获得的速度及姿态信息和步骤（6）获得的相对速度信息，然后经过航位推算实现对水下移动目标载体的精确定位。
3.根据权利要求2所述定位方法，其特征在于：所述步骤（4）得到圆柱阵的相对位置信息后，还包括对相对位置信息进行修正的步骤，以提高逆超短基线在复杂浅海环境中的水下定位精度。
4.根据权利要求3所述定位方法，其特征在于：修正的步骤具体包括：
a）根据海洋环境效应分析结果及其环境自适应处理技术，抑制折射、反射、散射现象引起的不良影响；
b）根据复杂宽带编码信号进行多途信道估计；
c）根据RAKE接收、时间反转原理提高逆超短基线的水声信道适应能力。
5.根据权利要求2所述定位方法，其特征在于：步骤（2）中的方位角信息包括水平角和俯仰角。
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多UUV动态自定位系统软硬件设计与实现;赖学琼;中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑(第12期);22-23 *

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CN113654553A (zh) 2021-11-16

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