CN114608567A - 一种小俯仰角条件下的usbl定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小俯仰角条件下的USBL定位方法。该方法包括在应答信号俯仰角小于设定阈值时，利用测量得到的声头坐标系下的应答信号方位角与组合惯导测量得到的声头姿态角，计算出地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值；计算声头与应答器的水平距离；根据地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值、声头应答器水平距离、声头的深度值、应答器的水深值以及GNSS定位模块测得的声头地理坐标计算应答器的地理坐标。本发明综合利用USBL系统直接测量到的应答信号方位角、传播时长和应答器深度值进行应答器地理坐标计算，解决了水平布置换能器阵列应答信号俯仰角测量误差较大问题，提高了定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及水声USBL定位技术领域，具体涉及一种小俯仰角条件下的USBL定位方法。
背景技术
超短基线(Ultra Short Base Line,USBL)水声定位系统，是通过测量定位目标发射的水声信号的角度、延时计算目标位置坐标的水下定位系统。相对于长基线、短基线水声定位系统，具有设备体积小、安装部署容易等优势，在水下作业和深海开发等领域具有广泛的应用。
USBL水声定位系统包含声头、应答器以及测量声头自身位置与姿态的辅助设备GNSS定位模块与组合惯导。应答器安装于定位目标上，并适时发射包含其ID及深度测量值的水声编码信号；声头可测量得出应答信号方位角、俯仰角以及传播时长，解码出应答器的实时深度；通过这些测量值及辅助设备测量到的声头地理坐标与实时姿态，计算出应答器的实时地理坐标。
对于水平布置换能器阵列的声头，在应答信号俯仰角较小时，俯仰角测量误差较大，导致该情况下计算的应答器地理坐标不够准确；即使利用解码的应答器深度值参与计算应答器地理坐标，又因应答信号的仰俯角为声头xoy平面的测量结果而非水平面，不能建立球面坐标与直角坐标相互转换的等效方程；尤其在声线弯曲条件下，准确计算应答器地理坐标的难度更大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种小俯仰角条件下的USBL定位方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种小俯仰角条件下的USBL定位方法，包括：
步骤1、在应答信号俯仰角小于设定阈值时，利用测量得到的声头坐标系下的应答信号方位角与组合惯导测量得到的声头姿态角，计算出地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值；
步骤2、计算声头与应答器的水平距离；
步骤3、根据地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值、声头应答器水平距离、声头的深度值、应答器的水深值以及GNSS定位模块测得的声头地理坐标计算应答器的地理坐标。
进一步的，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、基于直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，构造出声头坐标系下信号到达方向的单位矢量
其中，θu为直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，[]T为转置矩阵；
步骤1.2、基于组合惯导测量得到的声头姿态角度，将所述单位矢量
转换成地理坐标系下矢量
其中，Rm为基于组合惯导测量得到的声头姿态角度构造出的声头坐标系转地理坐标系转换矩阵，xt、yt、zt为
的三维坐标值；
步骤1.3、基于地理坐标系下矢量
的三维坐标计算地理坐标系下应答信号的方位角的正弦值sinθ和余弦值cosθ，
其中，θ为地理坐标系下应答信号的方位角。
进一步的，所述步骤2包括不进行声线修正计算声头应答器水平距离，具体如下：
步骤211、基于应答信号传播时长tΔ与信号在水中的速度C计算声头应答器的距离r，
r＝c·tΔ
步骤212、基于声头的深度值与应答器的深度值计算二者的深度差hΔ，
hΔ＝hr-ha
其中，hr为应答器的深度值，ha为声头的深度值；
步骤213、计算声头与应答器的水平距离为，
其中，rh为声头与应答器的水平距离。
进一步的，所述步骤2包括进行声线修正计算声头应答器水平距离，具体如下：
步骤221、设定初始试探性俯仰角
等于声头坐标系下的俯仰角
设定试探性俯仰角初始变化步长
步骤222、以声头的深度值ha为仿真信号初始发射水深、初始试探性俯仰角
为仿真信号初始掠射角，结合测得的声速剖面值和信号传播时长为tΔ推算仿真信号到达的深度为ht及传播的水平距离为rht；
步骤223、比较应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht差的绝对值，并将所述绝对值与设定的精度阈值hthresh进行对比，若所述绝对值小于设定精度阈值hthresh，则判定当前的试探性俯仰角等于地理坐标系下应答信号的俯仰角
声头与应答器的水平距离rh等于当前推算出的仿真信号传播的水平距离rht，计算结束；
步骤224、若所述绝对值不小于深度精度阈值hthresh，则记录应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系；
步骤225、判定此次仿真信号探测是否为首次，是则跳转至步骤228，否则进行步骤226；
步骤226、判定应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系是否与上次相反，若相同，则跳转至步骤228；若相反，则进行步骤227；
步骤227、将试探性俯仰角变化步长
减小；步骤228、比较本次应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系，若ht＜hr，则将初始试探性俯仰角
增加一个步长
若ht＞hr，则将初始试探性俯仰角
减小一个步长
并跳转至步骤222重复上述步骤。
进一步的，所述步骤3中计算出的应答器的地理坐标为：
xr＝x0+rh·cosθ
yr＝y0+rh·sinθ
Zr＝Z0+ha-hr
其中，x0，y0，z0为GNSS定位模块测得的声头地理坐标。
有益效果：本发明综合利用USBL系统直接测量到的应答信号方位角、传播时长和应答器深度值进行应答器地理坐标计算，解决了水平布置换能器阵列应答信号俯仰角测量误差较大问题；通过应答信号方位角单位矢量的构造与坐标转换计算地理坐标系信号的方位角，相对于假定声头水平，提高了定位精度；通过声线修正技术，进一步提高了定位精度。
附图说明
图1是本发明实施例的小俯仰角条件下的USBL定位方法的流程图；
图2是计算出地理坐标系下的应答信号方位角正弦值和余弦值的流程图；
图3是不进行声线修正计算声头应答器水平距离的流程图；
图4是不进行声线修正计算声头应答器水平距离的原理图；
图5是进行声线修正计算声头应答器水平距离的流程图；
图6是进行声线修正计算声头应答器水平距离的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种小俯仰角条件下的USBL定位方法，包括：
步骤1、在应答信号俯仰角小于设定阈值时，利用测量得到的声头坐标系下的应答信号方位角与组合惯导测量得到的声头姿态角，计算出地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值。上述设定阈值的大小可根据需要进行确定，如可设置为15°。
参见图2，步骤1具体包括：
步骤1.1、基于直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，构造出声头坐标系下信号到达方向的单位矢量
其中，θu为直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，[]T为转置矩阵。
步骤1.2、基于组合惯导测量得到的声头姿态角度，将单位矢量
转换至地理坐标系下为矢量
其中，Rm为基于组合惯导测量得到的声头姿态角度构造出的声头坐标系转地理坐标系转换矩阵，xt、yt、zt为
的三维坐标值。
步骤1.3、基于地理坐标系下矢量
的三维坐标计算地理坐标系下应答信号的方位角的正弦值sinθ和余弦值cosθ，
其中，θ为地理坐标系下应答信号的方位角。
步骤2、计算声头与应答器的水平距离。需要说明的是，计算声头应答器水平距离时，有两种计算方式，一种是不进行声线修正计算，另一种是进行声线修正计算，不进行声线修正计算的速度较快，但精度要比进行声线修正计算略低，进行声线修正计算的速度略慢，但精度更高。在使用时，用户可根据自己的需求来选择是否进行声线修正。
具体的，参见图3和图4，步骤2中不进行声线修正计算声头应答器水平距离包括：
步骤211、基于应答信号传播时长tΔ与信号在水中的速度C计算声头应答器的距离r，
r＝c·tΔ
需要说明的是，信号在水中的传播速度C假设为一个常数，应答信号传播时长tΔ为应答信号从应答器传播至声头的时长，可直接通过测量获得。
步骤212、基于声头的深度值与应答器的深度值计算二者的深度差hΔ，
hΔ＝hr-ha
其中，hr为应答器的深度值，ha为声头的深度值。声头的深度值ha由设置在声头上的压力传感器测得，应答器的深度值hr由设置在应答器上的压力传感器测得，然后通过应答信号发送至声头，声头解码信号获得该测量结果。
步骤213、计算声头与应答器的水平距离为，
其中，rh为声头与应答器的水平距离。
参见图5和图6，步骤2中进行声线修正计算声头应答器水平距离包括：
步骤221、设定初始试探性俯仰角
等于利用应答信号直接测量到的声头坐标系下的俯仰角
设定试探性俯仰角初始变化步长
步骤222、以声头的深度值ha为仿真信号初始发射水深、初始试探性俯仰角
为仿真信号初始掠射角，并结合测得的声速剖面值和信号传播时长为tΔ推算仿真信号到达的深度为ht及传播的水平距离为rht。
步骤223、比较应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht差的绝对值，并将所述绝对值与设定的精度阈值hthresh进行对比，若所述绝对值小于设定精度阈值hthresh，则判定当前的试探性俯仰角等于地理坐标系下应答信号的俯仰角
声头与应答器的水平距离rh等于当前推算出的仿真信号传播的水平距离rht，计算结束。深度精度阈值hthresh可以根据需要进行设定。
步骤224、若所述绝对值不小于深度精度阈值hthresh，则记录应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系。
步骤225、判定此次仿真信号探测是否为首次，是则跳转至步骤228，否则进行步骤226。
步骤226、判定应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系是否与上次相反，若相同，则跳转至步骤228；若相反，则进行步骤227。
步骤227、将试探性俯仰角变化步长
减小，并跳转至步骤222重复上述步骤。优选将试探性俯仰角变化步长
减小为
步骤228、比较本次应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系，若ht＜hr，则将初始试探性俯仰角
增加一个步长
若ht＞hr，则将初始试探性俯仰角
减小一个步长
并跳转至步骤222重复上述步骤。
步骤3、根据地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值、声头应答器水平距离、声头的深度值、应答器的水深值以及GNSS定位模块测得的声头地理坐标计算应答器的地理坐标。具体的，步骤3中计算出的应答器的地理坐标为：
xr＝x0+rh·cosθ
yr＝y0+rh·sinθ
zr＝z0+ha-hr
其中，x0，y0，z0为GNSS定位模块测得的声头的坐标。在不进行声线修正计算声头应答器水平距离时，rh取值为
在进行声线修正计算声头应答器水平距离时，rh取值为步骤223中推算出的应答信号传播的水平距离rht。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种小俯仰角条件下的USBL定位方法，其特征在于，包括：
步骤1、在应答信号俯仰角小于设定阈值时，利用测量得到的声头坐标系下的应答信号方位角与组合惯导测量得到的声头姿态角，计算出地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值；
步骤2、计算声头与应答器的水平距离；
步骤3、根据地理坐标系下的应答信号方位角的正弦值和余弦值、声头应答器水平距离、声头的深度值、应答器的水深值以及GNSS定位模块测得的声头地理坐标计算应答器的地理坐标。
2.根据权利要求1所述的小俯仰角条件下的USBL定位方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、基于直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，构造出声头坐标系下信号到达方向的单位矢量
其中，θu为直接测量得到的声头坐标系下应答信号的方位角，[]T为转置矩阵；
步骤1.2、基于组合惯导测量得到的声头姿态角度，将所述单位矢量
转换至地理坐标系下为矢量
其中，Rm为基于组合惯导测量得到的声头姿态角度构造出的声头坐标系转地理坐标系转换矩阵，xt、yt、zt为
的三维坐标值；
步骤1.3、基于地理坐标系下矢量
的三维坐标计算地理坐标系下应答信号的方位角的正弦值sinθ和余弦值cosθ，
其中，θ为地理坐标系下应答信号的方位角。
3.根据权利要求2所述的小俯仰角条件下的USBL定位方法，其特征在于，所述步骤2包括不进行声线修正计算声头应答器水平距离，具体如下：
步骤211、基于应答信号传播时长tΔ与信号在水中的速度C计算声头应答器的距离r，
r＝c·tΔ
步骤212、基于声头的深度值与应答器的深度值计算二者的深度差hΔ，
hΔ＝hr-ha
其中，hr为应答器的深度值，ha为声头的深度值；
步骤213、计算声头与应答器的水平距离为，
其中，rh为声头与应答器的水平距离。
4.根据权利要求2所述的小俯仰角条件下的USBL定位方法，其特征在于，所述步骤2包括声线修正计算声头与应答器的水平距离，具体如下：
步骤221、设定初始试探性俯仰角
等于利用应答信号直接测量得到的声头坐标系下的俯仰角
设定试探性俯仰角初始变化步长
步骤222、以声头的深度值ha为仿真信号初始发射水深、初始试探性俯仰角
为仿真信号初始掠射角，结合测得的声速剖面值和信号传播时长为tΔ推算仿真信号到达的深度为ht及传播的水平距离为rht；
步骤223、比较应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht差的绝对值，并将所述绝对值与设定的精度阈值hthresh进行对比，若所述绝对值小于设定精度阈值hthresh，则判定当前的试探性俯仰角等于地理坐标系下应答信号的俯仰角
声头与应答器的水平距离rh等于当前推算出的仿真信号传播的水平距离rht，计算结束；
步骤224、若所述绝对值不小于深度精度阈值hthresh，则记录应答器深度值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系；
步骤225、判定此次仿真信号探测是否为首次，是则跳转至步骤228，否则进行步骤226；
步骤226、判定应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系是否与上次相反，若相同，则跳转至步骤228；若相反，则进行步骤227；
步骤227、将试探性俯仰角变化步长
减小；步骤228、比较本次应答器深度测量值hr与仿真信号到达深度ht的大小关系，若ht＜hr，则将初始试探性俯仰角
增加一个步长
若ht＞hr，则将初始试探性俯仰角
减小一个步长
并跳转至步骤222重复上述步骤。
5.根据权利要求3或4所述的小俯仰角条件下的USBL定位方法，其特征在于，所述步骤3中计算出的应答器的地理坐标为：
xr＝x0+rh·cosθ
yr＝y0+rh·sinθ
zr＝z0+ha-hr
其中，x0,y0,z0为GNSS定位模块测得的声头的坐标。
6.根据权利要求4所述的小俯仰角条件下USBL的定位方法，其特征在于，所述步骤227中将试探性俯仰角变化步长
减小为
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| GR01 | Patent grant | ||
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