CN114089280B - 一种基于浮标的lbl/usbl混合基线合作目标水下定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，属于水声定位技术领域，通过北斗PPP/INS组合导航系统可以获取浮标标体的高精度位置信息；水听器安装于四个浮标底部组成LBL长基线基阵，通过坐标转换可得到每个LBL节点的空间位置坐标；当定位构型满足最优构型时，可以通过LBL算法定位，结合误差改正和深度约束实现高精度水下定位；当LBL构型在风浪作用下发生变化不满足最优构型，会导致水下目标定位精度降低，可利用精确位置已知的USBL定位系统完成对水下目标定位的修正，结合误差改正和深度约束，即利用LBL/USBL混合基线定位算法实现高精度水下定位，解决了单一水声定位技术导致的定位精度和稳定性差的问题。
Description
技术领域
本发明属于水声定位技术领域，具体涉及一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法。
背景技术
世界涉海发达国家正在通过发展水下导航定位空间基准完善本国的大地参考框架。导航定位是人类活动的基础，海洋导航定位框架是国家重要基础设施之一。海洋经济和海洋资源开发利用离不开水下导航定位技术支撑，我国也正在着手建立海-陆联合的陆海一致的空间基准。海底大地基准网是一组布放在海底的声学基准站，是国家大地基准网的重要组成部分，是水下导航定位的基础，是海洋安全、海洋经济开发、海洋环境监测的重要基础设施。然而，海底大地基准网建设难度极大，对基准点的标定技术要求高，因此对水下定位提出了更高要求。水下定位系统是在海面GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)定位的基础上，采用声呐技术实现水下定位，由此完成陆地与海洋空间位置的联测。但由于水环境的特殊性，相比于陆上定位导航具有动态性和不可重复性等特点。
水下定位系统按照基线的长短可将其分为三类：长基线、短基线和超短基线定位系统，可以根据需要合理选择采用一种系统。在水声定位系统实际应用中，三种基本系统各有各的优点和缺点，单一系统的应用在实际海洋工程建设中有很多的局限性。在许多复杂工况下，通过将各种声学定位系统有机结合以获得性能更优的组合水声定位系统可以更好地满足任务需求。组合导航定位技术因其可提供可靠的位冗余，发挥各个系统的优点达到较高的定位性能，已成为水声定位发展的重要趋势。
发明内容
本发明提出了一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，解决了现有技术中水下定位精度偏低的问题。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，包括：
S1.通过北斗PPP/INS组合导航系统获取布设于海面的四个定位浮标标体的精确位置；
S2.四个浮标标体的底部设有四个换能器，所述换能器用于发射和接受水声信号，其中一个是USBL基阵，三个是LBL基阵，应答器安装在水下合作目标标体上；
S3.当浮标构型满足最优构型时，通过LBL非差分/差分算法定位，结合误差改正和深度约束获取应答器和换能器之间高精度的相对位置，实现定位；
S4.当浮标构型在风浪作用下发生变化不满足最优构型时会导致定位的精度降低，利用精确位置已知的USBL定位系统完成对水下目标位置的修正，结合误差改正和深度约束，即利用混合基线定位算法实现定位；
S5.通过坐标转换可以将水下合作目标的坐标转换为绝对大地坐标系，完成对水下合作目标的精确定位。
优选地，所述步骤S1包括：
S1.1.在水下合作目标正上方区域内，布设基线长为1公里的四个浮标，组成正方形构型；
S1.2.将北斗天线和INS系统安装在浮标上并与其刚性连接，通过北斗PPP/INS组合导航系统获取浮标标体的高精度位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.3.通过坐标转换，获得安装在测船底部换能器的三维位置(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,4。
优选地，所述步骤S2包括：
S2.1.将四个换能器分别安装于四个浮标标体底部，换能器能发射特定频率的声信号并接受来自应答器返回的信号；
USBL基阵可以充当LBL基阵使用；
S2.2.将应答器安装于水下合作目标的标体上，应答器接受来自换能器发射的声信号，经过调制后以特定的频率回播信号。
优选地，所述步骤S3包括：
S3.1.当测船在布设浮标时，通过CTD传感器测得水下合作目标所在海域的温、盐、深数据，得到声速剖面数据；
S3.2.以GDOP判定海面浮标的构型：GDOP＝sqrt(9/n)，
其中，n为海面浮标的个数，当浮标的构型满足最优构型时，通过LBL非差分/差分算法进行定位；
S3.3.设浮标换能器的坐标为(Xi,Yi,Zi)，水下合作目标上应答器的坐标为(x,y,z)，换能器到应答器的传播时延为ti，长基线水声非差分定位模型为：
其中，R为换能器到应答器的距离，R＝c*t，其中，c为通过CTD测得声速剖面的平均值，即
差分定位模型为：
其中，(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),(X4,Y4,Z4)分别为1，2，3，4号浮标的位置；
S3.4.在水声定位中，声线会受声速变化的影响发生弯曲，为消除声学弯曲误差的影响，通过声线跟踪算法进行修正，实际的声线表示为：R＝R′-εR
其中，R为实际的声线，R′为发生弯曲时的声线，εR为弯曲量；
S3.5.在应答器上集成高精度的压力传感器系统，精确测得水下合作目标所在深度，精度达万分之一，实时获取准确的合作目标的深度参数，以测得的水下合作目标的深度值作为约束条件进行定位，可以有效提高定位精度。
优选地，所述步骤S4包括：
S4.1.海面浮标在风浪的作用下，其空间位置会发生变化，此时重新以GDOP判断海面浮标的构型；
S4.2.如果构型符合精度要求，则仍采用LBL算法进行定位，如果构型不满足精度要求，则需采用USBL定位系统完成对水下目标位置的修订；
S4.3.USBL采用4阵元的基阵换能器，4个阵元构成左手直角坐标系，其中1号和3号阵元在x轴上，2号和4号阵元在y轴上，基阵的中心为坐标原点O，阵元间距为D，设水下合作目标位于S点，其在基阵坐标系下的坐标为(x,y,z)，目标矢量OS的方向余弦为
其中，α为目标径矢与x轴的夹角，β为目标径矢与y轴的夹角，R为目标斜距，超短基线定位基阵尺寸相对于目标斜距很小，入射波近似为平面波，则有
其中，τx为x轴1，3阵元接收信号的时延差，τy为x轴2，4阵元接收信号的时延差，由上述公式可得
由此可得水下合作目标的平面坐标，深度位置z通过压力传感器测得；
S4.4.采用USBL定位时，进行声线弯曲误差改正从而提高定位的精度。
优选地，步骤S5包括：
S5.1.通过上述S3、S4步骤可以获得水下合作目标在基阵坐标系下的位置坐标(x,y,z)；
S5.2.将基阵坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到载体坐标系下(xb,yb,zb)；
S5.3.将载体坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到大地坐标系下(xG,yG,zG)；
S5.4.通过以上步骤即可实现混合基线对水下合作目标的精确定位
与现有技术相比，本发明不受风浪等因素影响，漂浮浮标的网型结构随时会发生变化，可有效解决水面浮标阵元非最优网型布局条件下水下合作目标高精度定位的难题，显著提高深远海水下目标的定位精度和效率。
附图说明
图1为采用基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位的技术流程图。
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：
一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，技术流程图如图1所示，包括以下步骤：
S1.通过北斗PPP/INS组合导航系统可以获取布设于海面的四个定位浮标标体的精确位置；
S2.将四个换能器分别安装于四个浮标标体的底部用于发射和接受水声信号，其中一个是USBL基阵，三个是LBL基阵，并将应答器安装在水下合作目标标体上；
S3.当浮标构型满足最优构型时，可以通过LBL非差分/差分算法定位，结合误差改正和深度约束可以获取应答器和换能器之间高精度的相对位置，实现定位；
S4.当浮标构型在风浪作用下发生变化不满足最优构型，会导致定位的精度降低，可利用精确位置已知的USBL定位系统完成对水下目标位置的修正，结合误差改正和深度约束，即利用混合基线定位算法实现定位；
S5.通过坐标转换可以将水下合作目标的坐标转换为绝对大地坐标系，从而完成对水下合作目标的精确定位。
步骤S1包括如下子步骤：
S1.1.在水下合作目标正上方一定区域内，布设基线长为1公里的四个浮标，组成正方形构型；
S1.2.将北斗天线和INS系统安装在浮标上并与其刚性连接，通过北斗PPP/INS组合导航系统可以获取浮标标体的高精度位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.3.通过坐标转换，可获得安装在测船底部换能器的三维位置(Xi,Yi,Zi),i＝1,2,3,4。
步骤S2包括如下子步骤：
S2.1.将四个换能器装置分别安装于四个浮标标体底部，换能器能发射特定频率的声信号并接受来自应答器返回的信号，四个换能器其中三个是LBL基阵，一个是USBL基阵，特殊情况下，USBL基阵也可以充当LBL基阵使用；
S2.2.将应答器安装于水下合作目标的标体上，应答器可以接受来自换能器发射的声信号，经过调制后以特定的频率回播信号。
步骤S3包括如下子步骤：
S3.1.当测船在布设浮标时，可以通过CTD传感器测得水下合作目标所在海域的温、盐、深数据，从而得到声速剖面数据；
S3.2.以GDOP判定海面浮标的构型：GDOP＝sqrt(9/n)
其中，n为海面浮标的个数，当浮标的构型满足最优构型时，可以通过LBL非差分/差分算法进行定位；
S3.3.设浮标换能器的坐标为(Xi,Yi,Zi)，水下合作目标上应答器的坐标为(x,y,z)，换能器到应答器的传播时延为ti，则长基线水声非差分定位模型为：
其中，R为换能器到应答器的距离，R＝c*t
其中，c为通过CTD测得声速剖面的平均值，即
差分定位模型为：
其中，(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),(X4,Y4,Z4)分别为1，2，3，4号浮标的位置；
S3.4.在水声定位中，声线会受声速变化的影响发生弯曲，为消除声学弯曲误差的影响，需要通过声线跟踪算法进行修正，则实际的声线表示为：R＝R′-εR
其中，R为实际的声线，R′为发生弯曲时的声线，εR为弯曲量；
S3.5.在应答器上集成高精度的压力传感器系统，可以精确测得水下合作目标所在深度，精度可达万分之一，可实时获取准确的合作目标的深度参数，以测得的水下合作目标的深度值作为约束条件进行定位，可以有效提高定位精度。
步骤S4包括如下子步骤：
S4.1.海面浮标在风浪的作用下，其空间位置会发生变化，此时需要重新以GDOP判断海面浮标的构型；
S4.2.如果构型符合精度要求，则仍采用LBL算法进行定位，如果构型不满足精度要求，则需采用USBL定位系统完成对水下目标位置的修订；
S4.3.USBL采用4阵元的基阵换能器，4个阵元构成左手直角坐标系，其中1号和3号阵元在x轴上，2号和4号阵元在y轴上，基阵的中心为坐标原点O，阵元间距为D，设水下合作目标位于S点，其在基阵坐标系下的坐标为(x,y,z)，目标矢量OS的方向余弦为
其中，α为目标径矢与x轴的夹角，β为目标径矢与y轴的夹角，R为目标斜距，超短基线定位基阵尺寸相对于目标斜距很小，入射波可近似为平面波，则有
其中，τx为x轴1，3阵元接收信号的时延差，τy为x轴2，4阵元接收信号的时延差，由上述公式可得
由此可得水下合作目标的平面坐标，深度位置z通过压力传感器测得；
S4.4.采用USBL定位时，仍需进行声线弯曲误差改正从而提高定位的精度。
步骤S5包括如下子步骤：
S5.1.通过上述S3、S4步骤可以获得水下合作目标在基阵坐标系下的位置坐标(x,y,z)；
S5.2.将基阵坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到载体坐标系下(xb,yb,zb)；S5.3.将载体坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到大地坐标系下(xG,yG,zG)；
S5.4.通过以上步骤即可实现混合基线对水下合作目标的精确定位。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，其特征在于，包括：
S1.通过北斗PPP/INS组合导航系统获取布设于海面的四个定位浮标标体的精确位置；
S2.四个浮标标体的底部设有四个换能器，所述换能器用于发射和接受水声信号，其中一个是USBL基阵，三个是LBL基阵，应答器安装在水下合作目标标体上；
S3.当浮标构型满足最优构型时，通过LBL非差分/差分算法定位，结合误差改正和深度约束获取应答器和换能器之间高精度的相对位置，实现定位；
S4.当浮标构型在风浪作用下发生变化不满足最优构型时会导致定位的精度降低，利用精确位置已知的USBL定位系统完成对水下目标位置的修正，结合误差改正和深度约束，即利用混合基线定位算法实现定位；
S5.通过坐标转换将水下合作目标的坐标转换为绝对大地坐标系，完成对水下合作目标的精确定位；
所述步骤S3包括：
S3.1.当测船在布设浮标时，通过CTD传感器测得水下合作目标所在海域的温、盐、深数据，得到声速剖面数据；
S3.2.以GDOP判定海面浮标的构型：GDOP＝sqrt(9/n)，
其中，n为海面浮标的个数，当浮标的构型满足最优构型时，通过LBL非差分/差分算法进行定位；
S3.3.设浮标换能器的坐标为(Xi,Yi,Zi)，水下合作目标上应答器的坐标为(x,y,z)，换能器到应答器的传播时延为ti，长基线水声非差分定位模型为：
其中，R为换能器到应答器的距离，R＝c*t，其中，c为通过CTD测得声速剖面的平均值，即
差分定位模型为：
其中，(X1,Y1,Z1),(X2,Y2,Z2),(X3,Y3,Z3),(X4,Y4,Z4)分别为1，2，3，4号浮标的位置；
S3.4.在水声定位中，声线会受声速变化的影响发生弯曲，为消除声学弯曲误差的影响，通过声线跟踪算法进行修正，实际的声线表示为：R＝R′-εR；
其中，R为实际的声线，R′为发生弯曲时的声线，εR为弯曲量；
S3.5.在应答器上集成高精度的压力传感器系统，精确测得水下合作目标所在深度，精度达万分之一，实时获取准确的合作目标的深度参数，以测得的水下合作目标的深度值作为约束条件进行定位，有效提高定位精度；
所述步骤S4包括：
S4.1.海面浮标在风浪的作用下，其空间位置会发生变化，此时重新以GDOP判断海面浮标的构型；
S4.2.如果构型符合精度要求，则仍采用LBL算法进行定位，如果构型不满足精度要求，则需采用USBL定位系统完成对水下目标位置的修订；
S4.3.USBL采用4阵元的基阵换能器，4个阵元构成左手直角坐标系，其中1号和3号阵元在x轴上，2号和4号阵元在y轴上，基阵的中心为坐标原点O，阵元间距为D，设水下合作目标位于S点，其在基阵坐标系下的坐标为(x,y,z)，目标矢量OS的方向余弦为
其中，α为目标径矢与x轴的夹角，β为目标径矢与y轴的夹角，R为目标斜距，超短基线定位基阵尺寸相对于目标斜距很小，入射波近似为平面波，则有
其中，τx为x轴1，3阵元接收信号的时延差，τy为x轴2，4阵元接收信号的时延差，由上述公式可得
由此可得水下合作目标的平面坐标，深度位置z通过压力传感器测得；
S4.4.采用USBL定位时，进行声线弯曲误差改正从而提高定位的精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S1.1.在水下合作目标正上方区域内，布设基线长为1公里的四个浮标，组成正方形构型；
S1.2.将北斗天线和INS系统安装在浮标上并与其刚性连接，通过北斗PPP/INS组合导航系统获取浮标标体的高精度位置信息(Xb,Yb,Zb)；
S1.3.通过坐标转换，获得安装在测船底部换能器的三维位置(Xj，Yj，Zj),j＝1,2,3,4。
3.根据权利要求1所述的一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S2.1.将四个换能器分别安装于四个浮标标体底部，换能器能发射特定频率的声信号并接受来自应答器返回的信号；
USBL基阵充当LBL基阵使用；
S2.2.将应答器安装于水下合作目标的标体上，应答器接受来自换能器发射的声信号，经过调制后以特定的频率回播信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于浮标的LBL/USBL混合基线合作目标水下定位方法，其特征在于，步骤S5包括：
S5.1.通过上述S3、S4步骤获得水下合作目标在基阵坐标系下的位置坐标(x,y,z)；
S5.2.将基阵坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到载体坐标系下(xb,yb,zb)；
S5.3.将载体坐标系下水下合作目标的坐标通过坐标的平移和旋转，转换到大地坐标系下(xG,yG,zG)；
S5.4.通过以上步骤即可实现混合基线对水下合作目标的精确定位。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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