CN113933526B - 一种体目标高精度三维运动速度测量方法 - Google Patents

一种体目标高精度三维运动速度测量方法 Download PDF

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Abstract

一种体目标高精度三维运动速度测量方法，属于海洋测绘技术领域。解决了采用传统的质点速度求解方法获取体目标三维速度存在精确度差的问题。本发明建立体目标坐标系，获得目标体上每个换能器的坐标；通过距离交会方法和姿态传感器，分别获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹和运动姿态；计算体目标上每个换能器在地理坐标系上的坐标；再根据换能器接收信号的频率，获得每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度；立体目标三维速度解算模型，解算体目标中心点的三维运动速度。本发明适用于海洋环境测量。

Description

一种体目标高精度三维运动速度测量方法
技术领域
本发明属于海洋测绘技术领域。
背景技术
运动目标速度测量在航天领域大多通过惯性设备与GPS组合导航求解，在水下由于电磁波衰减无法传输导致GPS无法工作，所以惯性组合测量运动目标速度测量方式不大适用，常用的速度求解方式大多根据目标的运动轨迹和传播时间进行差分求解出目标的速度，这种方式直接受目标的位置和时延解算影响较大，解算精度不高。若采用径向速度求解目标绝对速度的方式精度较高，但现在目标结构愈发复杂，尤其是水下运动的体目标，水下不同信标需要接收体目标上不同换能器的信号，在这种情况下传统速度求解模型不能完全匹配存在模型误差。
对于体目标，使用传统的质点速度求解方法会带来较大的模型误差，进而带来了较大的定位误差，尤其是垂向速度，因此，无法获得精确的体目标三维速度。
发明内容
本发明是为了解决采用传统的质点速度求解方法获取体目标三维速度存在精确度差的问题，提出了一种体目标高精度三维运动速度测量方法。
本发明所述一种体目标高精度三维运动速度测量方法，该方法包括：
步骤一、以目标体中心为原点O，建立体目标坐标系o-xsyszs，获得目标体上每个换能器的坐标；
步骤二、通过距离交会方法和姿态传感器，分别获得体目标在地理坐标系o-xGyGzG下的运动轨迹和运动姿态；
步骤三、根据步骤二的运动姿态及运动轨迹和步骤一中目标体上每个换能器的坐标，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标；
步骤四、利用步骤三获得的每个换能器在地理坐标系上的坐标和换能器接收信号的频率，获得每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度；
步骤五、根据每个换能器在地理坐标系上的坐标和每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度，建立体目标三维速度解算模型，解算体目标中心点的三维运动速度。
进一步地，本发明中，步骤一中，以目标体中心为中心，建立体目标坐标系o-xsyszs为：
XS轴为在体目标中心所在平面内，指向右舷；YS轴为在体目标中心所在平面内，指向船首；ZS轴为垂直于体目标中心所在平面，指向上方。
进一步地，本发明中，步骤二中，通过距离交会的方法获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹的具体方法为：
获取体目标上换能器与每个水下信标之间的传播时间，利用信号的传播时间和声信号在水中的传播速度，得到体目标上每个换能器与每个水下信标之间的距离，再通过距离交会的方法和目标体上每个换能器的坐标，根据所述每个换能器与每个水下信标之间的距离，获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹和姿态。
进一步地，本发明中，步骤三中，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标的具体方法为：
利用坐标系转换公式：
Figure BDA0003304032940000021
实现对体目标系上每个换能器的坐标转换为地理坐标系，其中，
Figure BDA0003304032940000022
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标；RSG为从体目标坐标系到大地坐标系下的旋转矩阵；
Figure BDA0003304032940000023
为体目标上第k个换能器在体目标坐标系下的坐标。
进一步地，本发明中，步骤四中，获得每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度的具体方法为：
每个水下信标接收到体目标上的换能器编号的获取方法：
根据运动过程中体目标上每个换能器发射信号的频率获得；
每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法：
将接收的对应换能器的信号与参考信号作相关，得到每个换能器发射信号的多普勒频移，再对所述多普勒频移换算，获得径向速度。
进一步地，本发明中，每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法中，获得径向速度的具体方法为：
Figure BDA0003304032940000024
其中，Δf为多普勒偏移值，fc为信号中心频率，c为声信号在水中的传播速度，v为径向速度。
进一步地，本发明中，步骤五中，建立体目标三维速度解算模型为：
Figure BDA0003304032940000031
其中，
Figure BDA0003304032940000032
为水下信标在地理坐标系下的坐标，
Figure BDA0003304032940000033
为体目标质心处在地理坐标系下的坐标，
Figure BDA0003304032940000034
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标，Ri为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的传播距离，Vt G为体目标质心处在地理坐标系下的三维速度，dRi为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的径向速度。
进一步地，本发明中，步骤五中，解算体目标中心点的三维运动速度的方法为：
利用最小二乘估计解算体目标三维速度参数：实现对体目标中心点的三维运动速度观测：
Vt G＝(ATΑ)-1 ATdRi
Figure BDA0003304032940000035
本发明实现了对连续运动的体目标三维速度高精度测量，无需采用GPS进行定位，相较于忽略体目标直接当做质点解算速度的方法对比，减小了模型误差，求解精度较高，可以满足水下高精度求解的需要，能够获精确的体目标中心三维运动速度。
附图说明
图1是本发明所述方法的流程图；
图2是体目标换能器与水下信标的位置示意图；
图3是体目标坐标系与地理坐标系关系图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种体目标高精度三维运动速度测量方法，该方法包括：
步骤一、以目标体中心为原点O，建立体目标坐标系o-xsyszs，获得目标体上每个换能器的坐标；
步骤二、通过距离交会方法和姿态传感器，分别获得体目标在地理坐标系o-xGyGzG下的运动轨迹和运动姿态；
步骤三、根据步骤二的运动姿态及运动轨迹和步骤一中目标体上每个换能器的坐标，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标；
步骤四、利用步骤三获得的每个换能器在地理坐标系上的坐标和换能器接收信号的频率，获得每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度；
步骤五、根据每个换能器在地理坐标系上的坐标和每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度，建立体目标三维速度解算模型，解算体目标中心点的三维运动速度。
体目标与水下信标示意图如图2，所述的体目标是一个柱形目标，目标朝向上方，再其柱面上均匀分布多个换能器，保证所有海底信标都能至少能接收到1个来自体目标上换能器发出的信号，
进一步地，本实施方式中，结合图3说明本实施方式，步骤一中，以目标体中心为中心，建立体目标坐标系o-xsyszs为：
XS轴为在体目标中心所在平面内，指向右舷；YS轴为在体目标中心所在平面内，指向船首；ZS轴为垂直于体目标中心所在平面，指向上方。
进一步地，本实施方式中，步骤二中，通过距离交会的方法获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹的具体方法为：
获取体目标上换能器与每个水下信标之间的传播时间，利用信号的传播时间和声信号在水中的传播速度，得到体目标上每个换能器与每个水下信标之间的距离，再通过距离交会的方法和目标体上每个换能器的坐标，根据所述每个换能器与每个水下信标之间的距离，获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹和姿态。
进一步地，结合图3说明本实施方式，本实施方式中，步骤三中，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标的具体方法为：
利用坐标系转换公式：
Figure BDA0003304032940000051
实现对体目标系上每个换能器的坐标转换为地理坐标系，其中，
Figure BDA0003304032940000052
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标；RSG为从体目标坐标系到大地坐标系下的旋转矩阵；
Figure BDA0003304032940000053
为体目标上第k个换能器在体目标坐标系下的坐标。
进一步地，本实施方式中，步骤四中，获得每个信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度的具体方法为：
每个水下信标接收到体目标上的换能器编号的获取方法：
根据运动过程中体目标上每个换能器发射信号的频率获得；
每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法：
将接收的对应换能器的信号与参考信号作相关，得到每个换能器发射信号的多普勒频移，再对所述多普勒频移换算，获得径向速度。
进一步地，本实施方式中，每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法中，获得径向速度的具体方法为：
Figure BDA0003304032940000054
其中，Δf为多普勒偏移值，fc为信号中心频率，c为声信号在水中的传播速度，v为径向速度。
进一步地，本实施方式中，步骤五中，建立体目标三维速度解算模型为：
Figure BDA0003304032940000055
其中，
Figure BDA0003304032940000056
为水下信标在地理坐标系下的坐标，
Figure BDA0003304032940000057
为体目标质心处在地理坐标系下的坐标，
Figure BDA0003304032940000058
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标，Ri为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的传播距离，Vt G为体目标质心处在地理坐标系下的三维速度，dRi为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的径向速度。
进一步地，本实施方式中，步骤五中，解算体目标中心点的三维运动速度的方法为：
利用最小二乘估计解算体目标三维速度参数：实现对体目标中心点的三维运动速度观测：
Vt G＝(ATΑ)-1 ATdRi
Figure BDA0003304032940000061
利用速度交会的方法，将体目标上换能器与每个水下信标的径向速度联合交会估计体目标中心速度，求解模型更加准确，利用最小二乘的估计方法求解精度更高，相对于质点速度求解模型，体目标中心点三维速度估计更改求解模型，相较于忽略体目标直接当做质点解算速度的方法对比，减小了模型误差，求解精度较高，可以满足水下高精度求解速度的需要，能够获精确的体目标中心三维运动速度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、以目标体中心为原点O，建立体目标坐标系o-xsyszs，获得目标体上每个换能器的坐标；
步骤二、通过距离交会方法和姿态传感器，分别获得体目标在地理坐标系o-xGyGzG下的运动轨迹和运动姿态；
步骤三、根据步骤二的运动姿态及运动轨迹和步骤一中目标体上每个换能器的坐标，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标；
步骤四、利用步骤三获得的每个换能器在地理坐标系上的坐标和换能器接收信号的频率，获得每个水下信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度；获得每个水下信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度的具体方法为：
每个水下信标接收到体目标上的换能器编号的获取方法：
根据运动过程中体目标上每个换能器发射信号的频率获得；
每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法：
将接收的对应换能器的信号与参考信号作相关，得到每个换能器发射信号的多普勒频移，再对所述多普勒频移换算，获得径向速度；
步骤五、根据每个换能器在地理坐标系上的坐标和每个水下信标接收到体目标上的换能器编号和径向速度，建立体目标三维速度解算模型，解算体目标中心点的三维运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，步骤一中，以目标体中心为中心，建立体目标坐标系o-xsyszs为：
XS轴在体目标中心所在平面内指向右舷；YS轴在体目标中心所在平面内指向船首；ZS轴为垂直于体目标中心所在平面。
3.根据权利要求1所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，步骤二中，通过距离交会的方法获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹的具体方法为：
获取体目标上换能器与每个水下信标之间的传播时间，利用信号的传播时间和声信号在水中的传播速度，得到体目标上每个换能器与每个水下信标之间的距离，再通过距离交会的方法和目标体上每个换能器的坐标，根据所述每个换能器与每个水下信标之间的距离，获得体目标在地理坐标系下的运动轨迹和姿态。
4.根据权利要求1所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，步骤三中，计算体目标上每个换能器在地理坐标系o-xGyGzG上的坐标的具体方法为：
利用坐标系转换公式：
Figure FDA0003681118860000021
实现对体目标系上每个换能器的坐标转换为地理坐标系，其中，
Figure FDA0003681118860000022
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标；RSG为从体目标坐标系到大地坐标系下的旋转矩阵；
Figure FDA0003681118860000023
为体目标上第k个换能器在体目标坐标系下的坐标。
5.根据权利要求1所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，每个水下信标接收到体目标上的径向速度的获取方法中，获得径向速度的具体方法为：
Figure FDA0003681118860000024
其中，Δf为多普勒偏移值，fc为信号中心频率，c为声信号在水中的传播速度，v为径向速度。
6.根据权利要求5所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，步骤五中，建立体目标三维速度解算模型为：
Figure FDA0003681118860000025
其中，
Figure FDA0003681118860000026
为水下信标在地理坐标系下的坐标，
Figure FDA0003681118860000027
为体目标质心处在地理坐标系下的坐标，
Figure FDA0003681118860000028
为体目标上第k个换能器在地理坐标系下的坐标，Ri为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的传播距离，
Figure FDA0003681118860000029
为体目标质心处在地理坐标系下的三维速度，dRi为信号从体目标上第k个换能器到水下信标的径向速度。
7.根据权利要求6所述的一种体目标高精度三维运动速度测量方法，其特征在于，步骤五中，解算体目标中心点的三维运动速度的方法为：
利用最小二乘估计解算体目标三维速度参数：实现对体目标中心点的三维运动速度观测：
Figure FDA00036811188600000210
Figure FDA00036811188600000211
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