CN116449374A - 基于声呐的水下定位方法 - Google Patents

基于声呐的水下定位方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116449374A
CN116449374A CN202310269669.XA CN202310269669A CN116449374A CN 116449374 A CN116449374 A CN 116449374A CN 202310269669 A CN202310269669 A CN 202310269669A CN 116449374 A CN116449374 A CN 116449374A
Authority
CN
China
Prior art keywords
position information
sonar
sound source
value
hydrophones
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310269669.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN116449374B (zh
Inventor
张德津
李清泉
刘国辉
管明雷
何莉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN202310269669.XA priority Critical patent/CN116449374B/zh
Publication of CN116449374A publication Critical patent/CN116449374A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116449374B publication Critical patent/CN116449374B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • G01S5/20—Position of source determined by a plurality of spaced direction-finders
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/30—Assessment of water resources

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本申请涉及海洋测绘技术领域，提供一种基于声呐的水下定位方法，所述方法包括：获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；获取信号差分数据；基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定声源的实际位置信息。本申请通过获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；通过两个水听器的接收时间之间的时间差值确定出多个信号差分值；并由多个信号差分值得到信号差分数据，无需获取声源发出声呐的时间信息，即可基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定出声源精确的实际位置信息，由此可以实现海洋工程或其他水下领域的精密定位。

Description

基于声呐的水下定位方法
技术领域
本申请涉及海洋测绘技术领域，具体涉及一种基于声呐的水下定位方法。
背景技术
现有较为成熟的水下测量定位方式主要有长基线、短基线和超短基线等几种技术方法。长基线技术主要用于大范围水下定位，对于水下精密工程定位应用，不仅成本过高，且精度远不能满足精密水下定位的要求，不适合在精密工程定位等领域采用；短基线定位原理是需要已知水下应答器位置，定位方法与水下工程需要不一致，也不能解决声速测量误差问题，其方法的测量精度不能满足精密水下定位的要求；采用超短基线方法制作的设备虽然有结构简单使用方便等特点，但定位精度和结果的可靠性均不能满足精密水下定位的要求。因此，目前海洋工程或其他水下领域的精密定位尚无较好的解决方法。
发明内容
本申请实施例提供一种基于声呐的水下定位方法，用以实现海洋工程或其他水下领域的精密定位。
第一方面，本申请实施例提供一种基于声呐的水下定位方法，包括：
获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；
获取信号差分数据，所述信号差分数据包括多个信号差分值，每一所述信号差分值为两个所述水听器的所述接收时间的时间差值；
基于所述信号差分数据和预先获取到的所述多个水听器的位置信息，确定所述声源的实际位置信息。
在一个实施例中，所述基于所述信号差分数据和预先获取到的所述多个水听器的位置信息，确定所述声源的实际位置信息，包括：
确定所述声源的模拟位置信息；
将预先确定的声呐传播速度、各所述水听器的位置信息、所述信号差分数据和所述模拟位置信息输入至条件平差观测模型，得到所述条件平差观测模型输出的，所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值；其中，所述条件平差观测模型是以水听器的位置信息、信号差分数据、模拟位置信息为变量，用于确定声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值的模型；
若确定所述位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且所述声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，则将所述模拟位置信息确定为所述声源的实际位置信息。
在一个实施例中，在将预先确定的声呐传播速度、各所述水听器的位置信息、所述信号差分数据和所述模拟位置信息输入至条件平差观测模型之前，构建所述条件平差观测模型，具体包括：
获取信号差分值计算模型；所述信号差分值计算模型用于确定两个水听器的接收时间之间的时间差值；
获取第一距离计算模型；所述第一距离计算模型用于根据两个水听器的位置信息确定两个水听器的距离；
获取第二距离计算模型；所述第二距离计算模型用于根据声源与水听器间的信号传播时间与声呐平均传播速度，确定声源与水听器的距离；
根据所述信号差分值计算模型、所述第一距离计算模型、所述第二距离计算模型与接收时间的补偿值，确定第一观测模型；
对所述第一观测模型进行线性化处理，得到第二观测模型；
基于所述第二观测模型，构建条件平差观测模型。
在一个实施例中，所述条件平差观测模型的表达式为：
A·V+B·X-W＝0；
其中，x0、y0、z0分别为声源的模拟位置信息中x轴、y轴、z轴的坐标；T1n为信号差分数据中第一个水听器与第n个水听器之间的接收时间的差值；Ui、Vi、Wi分别为第i个水听器的位置信息中的x轴坐标、y轴坐标、z轴坐标；dx、dy、dz分别为声源的位置偏差值中的x轴坐标修正值、y轴坐标修正值、z轴坐标修正值；dv为声呐传播速度的声速偏差值；v0为声呐传播速度；Vti为第i个水听器对应接收时间的补偿值，为常数；A、B、X、W、V均为中间变量。
在一个实施例中，所述得到所述条件平差观测模型输出的，所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值之后，迭代执行以下步骤，直至确定所述位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且所述声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，以将获取的目标模拟位置信息，作为所述声源的实际位置信息：
若确定所述位置偏差值处于所述第一预设偏差阈值范围外或声速偏差值处于所述第二预设偏差阈值范围外，则更新所述模拟位置信息，并将更新后的模拟位置信息作为目标模拟位置信息；
基于所述条件平差观测模型，利用所述目标模拟位置信息重新确定所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值。
在一个实施例中，所述更新所述声源的模拟位置信息，包括：
将所述声源的模拟位置信息中数值的二分之一作为更新数值；
通过所述更新数值对所述模拟位置信息中的数值进行替换，得到所述声源更新后的模拟位置信息。
在一个实施例中，所述声呐平均传播速度是根据声呐传播速度与所述声呐传播速度的声速偏差值确定的。
在一个实施例中，所述水听器的数量是基于所述条件平差观测模型对应的表达式中因变量的数量确定的。
在一个实施例中，所述水听器的位置信息是通过全球导航卫星系统或惯性定向定位导航系统获取的。
在一个实施例中，第一预设偏差阈值范围为位置偏差阈值范围；所述第二预设偏差阈值范围为声速偏差阈值范围。
本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法，通过获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；可以通过两个水听器的接收时间之间的时间差值确定出多个信号差分值，以消除对声信号发生时间测定的误差和声呐传播路径上的平均声速误差；并进一步由多个信号差分值得到信号差分数据，使得无需获取声源发出声呐的时间信息，即可基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定出声源精确的实际位置信息，由此可以实现海洋工程或其他水下领域的精密定位。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的水听器分布示意图之一；
图3是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的水听器分布示意图之二；
图4是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的水听器分布示意图之三；
图5是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的水听器分布示意图之四；
图6是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的距离交会原理示意图；
图7是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的距离差分数据示意图；
图8是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法中声源的实际位置信息的确定流程示意图；
图9是本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法中声源的平差计算流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合实施例对本申请提供的基于声呐的水下定位方法进行详细描述。
图1为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的流程示意图。参照图1，本申请实施例提供一种基于声呐的水下定位方法，该方法可以包括：
步骤100，获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；
需要说明的是，本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的执行主体可以是计算机设备，例如手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、车载电子设备、可穿戴设备、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，UMPC)、上网本或者个人数字助理(personal digital assistant，PDA)等。
其中，水听器为将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号。
本申请中水听器的数量是基于条件平差观测模型对应的表达式中因变量的数量确定的。由于本申请条件平差观测模型对应的表达式中因变量的数量为至少4个，因此，水听器的数量大于或等于4，本申请中可以为6-8个。
本申请中对于水听器数量与位置要求：
根据差分声呐的计算要求，需要解算4个未知参数，因此水听器数量必须不少于4个，推荐使用6-8个，可产生一定量冗余数据，保证数据解算结果的可靠性。由于差分计算对水听器的分布具有较强的敏感性，因此需要设计几种水听器与声源的几何分布图形。分别以4、6、8个水听器情况分布要求见图2-5。图2-5分别为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的水听器分布示意图之一、之二、之三与之四。如图2-5所示，水听器分布的要点是水平范围面积和水听器的高度差尽可能拉大。图2中G1、G2、G3为用于确定水听器位置的设备，S为声源，R1-R5为水听器。
本申请中条件平差观测模型是以水听器的位置信息、信号差分数据、模拟位置信息为变量，用于确定声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值的模型。
其中，模拟位置信息为预估的声源的位置信息。
声源的位置偏差值为声源的模拟位置与实际位置之间的偏差值；声呐传播速度的声速偏差值为声呐传播速度与声呐平均传播速度之间的偏差值。即，声呐平均传播速度为声呐传播速度与声速偏差值之和。
声呐传播速度可以采用理论速度，或采用声速剖面仪进行测定。
声源即发出声信号的物体。
本申请中声呐为一种水下声信号。
本申请中可以通过多个水听器同步接收同一声源发出的声呐。
同时，各水听器可以记录接收到声呐的时刻，并作为该声呐的接收时间发送至上述计算机设备。
由此，可以获取到多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间。
本申请中可以通过对多个水听器所接收的声呐进行信号对比，确定是否为同一声呐。
本申请中声源可以因具有信号发生装置而可以发出水下的声信号，或者因其他方式(例如敲击、撞击等)发出水下的声信号。
步骤200，获取信号差分数据；
其中，信号差分数据包括多个信号差分值，每一信号差分值为两个水听器的接收时间之间的时间差值。
本申请中，多个水听器的接收时间中，可以根据实际需要选择所需的水听器的接收时间个数，通过对两个水听器的接收时间进行差值计算，可以得到一个信号差分值。
本申请可以计算同一水听器的接收时间与其他多个水听器的接收时间之间的多个信号差分值，并由多个信号差分值形成一组信号差分数据。
步骤300，基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定声源的实际位置信息。
本申请可以采用距离交会原理进行水下位置解算。由于声波是水下信息传输唯一有效的载体，因此声呐也成为水下测距信号的唯一选择。通过测定声波信号在声源(或应答器)与水听器之间的传播时间及其速度，计算两者之间的距离。
参见图6，图6为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的距离交会原理示意图，距离交会原理涉及的计算需要有3条或更多条测距边，每条测距边一端的位置已知(图6中A、B、C点)，另一端是位置待测定的未知点(图6中P点)。根据定位目标的实际情况，声源或水听器既可安置在已知位置的端点上，也可安置在待测点上。待测点位置精度取决于测距精度和已知端点的几何分布。
距离是通过声速与声波信号传播时间计算而得，由于声波在传播路径上不同位置的水体温度、盐度、悬浮颗粒等影响，因此，在声波的传播路径上的各个位置处声速是有变化的，精确测定声波在传播路径上的平均速度比较困难，由此影响声呐测距的精度。另外，在工程应用环境中，水中各种噪音及多路径影响一般较为严重，对声波信号的检测误差也会较大。
本申请中还涉及差分计算原理，由于普通基于距离交会原理的测距方法中，测距精度取决于声速及声波信号传播时间测定的精度。由于水下高精度定位对测距精度要求较高，声速和声波的检测误差的测定精度都难以达到。
差分计算原理对应的方法是将不同水听器的测距信息进行两两求差，参见图7，图7为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法的距离差分数据示意图，其中Ra、Rb分别是A点与P点、B点与P点间的测距值，将此两个距离求差得dR＝Ra-Rb即为一个差分值，称为距离差分值。
在dR中由于两个测距的声波传播路径较为接近，两者的平均声速近似相等，因此，如果水听器采集数据时采用了高精度的同步采集器，距离差分等价于检测到信号的时间差分。
因此，本申请中的信号差分值采用时间差作为观测值。通过采用高精度同步采集器采集数据，并对声波信号传播时间进行差分计算，可以较好地解决声源发送时刻的不确定性和声速难以测定的问题，从而可以实现水下高精度定位。
假设声源在t0时刻发生信号，信号由各个水听器接收，水听器接收信号的时刻为ti。声源与水听器之间的距离Si一般可以通过声源和水听器之间的声呐传播速度和传播时间来计算，由于声源发生器上没有直接连接信号线，声源发送信号的具体时刻t0不能确定，因此，声源与水听器之间的距离Si不能通过水听器的信号检测时间来直接计算。
采用多路信号同步采集器，采集各个水听器信号到达时刻，并要求对各个水听器的信号采集时刻的时间差值的测定精度达到10-6秒左右，由此得到各个水听器的数据采集时刻的差分数据的精度也约为10-6秒。采用同步器测定的各个水听器信号采集时刻的时间差作为观测值，由于时间差分数据中完全消除了声呐的发生时间t0，因此，差分声呐定位的结果不受t0的影响。
因此，在得到信号差分数据后，本申请可以通过全球导航卫星系统(GNSS)/惯性定向定位导航系统(INS)获取到多个水听器的位置信息。
同时，可以对声源的位置信息进行预估，得到声源的模拟位置信息。以及，获取声呐的理论传播速度，或通过声速剖面仪进行声呐传播速度测定，得到声呐传播速度。
进一步地，可以将声呐传播速度、各水听器的位置信息、信号差分数据和模拟位置信息输入至条件平差观测模型，通过条件平差观测模型进行运算，并得到条件平差观测模型输出的，声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值。
进一步地，可以将声源的位置偏差值与第一预设偏差阈值范围进行比较，以及将声呐传播速度的声速偏差值与第二预设偏差阈值范围进行比较，并根据比较结果确定出声源的实际位置信息。
其中，第一预设偏差阈值范围可以为位置偏差阈值范围，第二预设偏差阈值范围可以为声速偏差阈值范围。其中，第一预设偏差阈值范围与第二预设偏差阈值范围均可以根据实际需求设定与调整。
在一些实施例中，位置偏差阈值范围可以为≤0.01m；声速偏差阈值范围可以为≤0.1m/s。
其中，比较结果可以为：位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内；或者为：位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围外或声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围外。
本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法，通过获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；可以通过两个水听器的接收时间之间的时间差值确定出多个信号差分值，以消除对声信号发生时间测定的误差和声呐传播路径上的平均声速误差；并进一步由多个信号差分值得到信号差分数据，使得无需获取声源发出声呐的时间信息，即可基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定出声源精确的实际位置信息，由此可以实现海洋工程或其他水下领域的精密定位。
图8为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法中声源的实际位置信息的确定流程示意图。参照图8，在一个实施例中，基于信号差分数据和多个水听器的位置信息，确定声源的实际位置信息，包括：
步骤301，确定声源的模拟位置信息；
本申请中可以根据测试经验或其他方法对声源的位置信息进行预估，由此确定出声源的模拟位置信息。
步骤302，将预先确定的声呐传播速度、各水听器的位置信息、信号差分数据和模拟位置信息输入至条件平差观测模型，得到条件平差观测模型输出的，声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值；
进一步地，将预先确定的声呐传播速度、各水听器的位置信息、信号差分数据和模拟位置信息输入至条件平差观测模型，由条件平差观测模型根据上述输入结合其内部的运算逻辑进行运算，并在运算完成后，输出声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值，由此可以得到条件平差观测模型输出的声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值。
更进一步地，可以将声源的位置偏差值与第一预设偏差阈值范围进行比较，以及将声呐传播速度的声速偏差值与第二预设偏差阈值范围进行比较，得到比较结果。
需要说明的是，在将预先确定的声呐传播速度、各水听器的位置信息、信号差分数据和模拟位置信息输入至条件平差观测模型之前，构建条件平差观测模型，具体包括：
步骤11，获取信号差分值计算模型；
信号差分值计算模型用于确定两个水听器的接收时间之间的时间差值；
本申请中以表示声呐在定位系统工作区域的声呐平均传播速度，v0为/>的近似值，v0一般可以采用理论速度，或采用声速剖面仪进行测定，其误差(声速偏差值)用dv表示，即有：
水听器i的位置(Ui,Vi,Wi)，可通过水面GNSS实时测定，其测定精度较高，在后续计算中视为已知数据。
声源的实际位置信息可表示为近似值即模拟位置信息(x0,y0,z0)和改正数量即位置偏差值(dx，dy，dz)之和，即：
(x0,y0,z0)最初可以根据声源的大致位置进行估计，其误差可能较大。为了保证计算精度，可以将第一次计算的结果作为近似值再次计算。
进一步地，以Δti＝ti-t0表示声呐从声源至水听器i的传播时长，则水听器i、j的差分观测值(时间差值)Tij可以通过如下公式确定：
Tij＝Δtj-Δti＝tj-ti；
其中，tj为水听器j接收到声呐的时间，ti为水听器i接收到声呐的时间。
由上式可知，以时间差分作为观测值，可以消除声源发送信号的时刻t0。
步骤12，获取第一距离计算模型；
第一距离计算模型是用于根据两个水听器的位置信息确定两个水听器的距离的模型。
第一距离计算模型中具有两个水听器的距离的公式，具体地，令声源与水听器i之间的实际距离设为则有：
步骤13，获取第二距离计算模型；
其中，第二距离计算模型用于根据声源与水听器间的信号传播时间与声呐平均传播速度，确定声源与水听器的距离。
第二距离计算模型具有确定声源与水听器间的距离的公式，具体地，设Si为声源与水听器i之间通过Δti计算得到的测量距离，则有：
Si＝(v0+dv)×Δti＝(v0+dv)×(ti-t0)；
需要说明的是，上式中由于出现t0，因此这个测量距离并没有实际意义，仅作为公式推导中的中间过度参数使用。
步骤14，根据信号差分值计算模型、第一距离计算模型、第二距离计算模型与接收时间的补偿值，确定第一观测模型；
进一步地，根据第一距离计算模型和第二距离计算模型分别计算声源和水听器i、j的实际距离差和测量距离差，则有：
以及：
ΔSij＝Sj-Si＝(v0+dv)×(Δtj-Δti)＝(v0+dv)×(tj-ti)＝Tij×(v0+dv)；
上式中已经消除了t0。
在观测值(时间差值)Tij中加入ti、tj测量值的改正数(接收时间的补偿值)Vti、Vtj，并根据信号差分值计算模型、第一距离计算模型、第二距离计算模型与接收时间的补偿值可得到第一观测模型：
步骤15，对第一观测模型进行线性化处理，得到第二观测模型；
由于第一观测模型中的观测方程式为非线形方程，需要进行线性化，其中Vti、Vtj、dv、dx，dy，dz均为微小量，线性化时这些微小量的相互乘积和二次项均被忽略。
同时，引进符号S0i：
对第一观测模型进行线性化处理，略去线性化过程，线性化结果为：
对上式进行整理，得：
进一步地，令：
Aij＝(-1 1)；
则有如下第二观测模型：
Aij·Vtij+Bij·Xij-Wij＝0。
步骤16，基于第二观测模型，构建条件平差观测模型。
进一步地，对于具有n个水听器的基于声呐的水下定位系统，可组成n-1个第二观测模型，假设差分对的组合方式为：1-2、1-3、…、1-n，并令：
/>
则可以构建具有如下表达式的条件平差观测模型：
A·V+B·X-W＝0；
其中，x0、y0、z0分别为声源的模拟位置信息中x轴、y轴、z轴的坐标；T1n为信号差分数据中第一个水听器与第n个水听器之间的接收时间的差值；Ui、Vi、Wi分别为第i个水听器的位置信息中的x轴坐标、y轴坐标、z轴坐标；dx、dy、dz分别为声源的位置偏差值中的x轴坐标修正值、y轴坐标修正值、z轴坐标修正值；dv为声呐传播速度的声速偏差值；v0为声呐传播速度；Vti为第i个水听器对应接收时间的补偿值，为常数；A、B、X、W、V均为中间变量。
需要说明的是，上述接收时间的补偿值可以为常数。
进一步地，上述接收时间的补偿值的常数可以通过如下步骤确定：
基于测量数据结合如下公式确定X(声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值)：
其中，Naa＝A·AT；A、B、W的定义与上述其他公式中相同符号的定义相同，在此不再进行定义；BT表示B的转置矩阵；/>表示Nbb的逆矩阵；AT表示A的转置矩阵；/>表示Naa的逆矩阵。
在得到X后，进一步基于如下公式计算出V(接收时间的补偿值)：
上述公式中各符号的定义与上述其他公式中相同符号的定义相同，在此不再进行定义。
在基于测量数据确定接收时间的补偿值作为常数后，后续的实际测量中均可将接收时间的补偿值作为常数进行计算。
步骤303，若确定位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，则将模拟位置信息确定为声源的实际位置信息。
在完成上述比较并得到比较结果后，若处于第一预设偏差阈值范围内且声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，则将模拟位置信息确定为声源的实际位置信息。
在另一些实施例中，也可以将模拟位置信息与位置偏差值进行加和的结果作为声源的实际位置信息。
进一步地，在得到条件平差观测模型输出的，声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值之后，迭代执行以下步骤，直至确定位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，以将获取的目标模拟位置信息，作为声源的实际位置信息：
步骤304，若确定所述位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围外或声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围外，则更新所述模拟位置信息，并将更新后的模拟位置信息作为目标模拟位置信息；
步骤305，基于所述条件平差观测模型，利用所述目标模拟位置信息重新确定所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值。
在完成上述比较并得到比较结果后，若确定位置偏差值和声速偏差值处于预设偏差阈值范围外，即当位置偏差值处于预设偏差阈值范围中的位置偏差阈值范围外，或声速偏差值处于预设偏差阈值范围中的声速偏差阈值范围外，则更新声源的模拟位置信息，并将更新后的模拟位置信息作为目标模拟位置信息。进一步地，基于条件平差观测模型，利用目标模拟位置信息重新确定声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值，将重新确定的声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值，与预设偏差阈值范围进行比较，得到比较结果。
确定比较结果是否为位置偏差值和声速偏差值处于预设偏差阈值范围内，若是则将模拟位置信息确定为声源的实际位置信息。若否则再次更新声源的模拟位置信息，以此类推，直至确定位置偏差值和声速偏差值处于预设偏差阈值范围内，并将最新的模拟位置信息(即最后一次更新的声源的模拟位置信息)确定为声源的实际位置信息。
本申请在确定声源的实际位置信息的过程中涉及平差计算过程。
参见图9，图9为本申请实施例提供的基于声呐的水下定位方法中声源的平差计算流程示意图。参照图9，本申请中可以先确定声源的模拟位置信息作为初始值，并建立条件平差观测模型作为误差方程式。进一步可以基于初始值与误差方程式计算dx、dy、dz、dv等位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值。进一步地，可以通过将位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值与预设偏差阈值范围进行比较来确定dx、dy、dz、dv是否已经收敛。若确定已收敛，则将初始值作为声源的实际位置信息并输出结果，此时平差结束。若未收敛，则重新确定初始值，并再次计算dx、dy、dz、dv，确定dx、dy、dz、dv是否已经收敛，直至dx、dy、dz、dv已经收敛。
进一步地，更新声源的模拟位置信息，包括：
步骤3041，将声源的模拟位置信息中数值的二分之一作为更新数值；
步骤3042，通过更新数值对模拟位置信息中的数值进行替换，得到声源更新后的模拟位置信息。
可以理解地，在更新声源的模拟位置信息时，本申请可以采用二分法实现。
其中，对于区间[a，b]上连续不断且f(a)·f(b)<0的函数y＝f(x)，通过不断地把函数f(x)的零点所在的区间一分为二，使区间的两个端点逐步逼近零点，进而得到零点近似值的方法叫二分法。
本申请中可以声源的模拟位置信息中数值的二分之一，例如分别取模拟位置信息中的x轴、y轴、z轴的数值的二分之一作为更新数值。
进一步地，将更新数值中x轴、y轴、z轴的数值的二分之一，分别替换原模拟位置信息中的x轴、y轴、z轴的数值，将完成数值替换后的模拟位置信息确定为声源更新后的模拟位置信息。
本实施例在获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；通过两个水听器的接收时间之间的时间差值确定出多个信号差分值，以消除对声信号发生时间测定的误差和声呐传播路径上的平均声速误差；并进一步由多个信号差分值得到信号差分数据后，无需获取声源发出声呐的时间信息，即可基于信号差分数据和预先获取到的多个水听器的位置信息，确定出声源精确的实际位置信息，由此可以实现海洋工程或其他水下领域的精密定位。
本申请基于声呐的水下定位方法也可以称为短基线声呐差分定位方法，通过多个水听器同步接收来自同一个声源的信号，将各个水听器接收统一信号源信号的时间求差，即信号差分数据，以消除对声源信号发生时间测定的误差和声呐传播路径上的平均声速误差，由差分数据可解算水听器与声源的精密水下相对位置关系，达到对声源位置的精密解算。
本申请需要在水听器阵中集成同步数据采集器，同步数据采集的时间同步误差不大于10-5(秒)，保证同步采集器采集的数据进行差分计算时，由数据采集的时间误差对测距差的影响控制在2mm以内。
通过差分计算，可以消除声源信号发生时刻的时间参数，解决了现有其他声呐测距方法需要测定声源发生时刻到接收时刻时间差测定的困难，消除了由此可能产生的误差。
差分计算利用施工区域较小，区域内声呐水体媒介较为均匀一致的特性，可以降低对区域内实际平均声速测定精度的要求，较好地解决了现有其他声呐定位方法需要精确测定区域内声速的难题。
本申请通过差分计算可削弱与区域环境相关性较强的系统性误差，提高水下定位精度。
本申请要求短基线系统中引进高精度同步计时器，精确计算各个水声换能器接收声源信号的时间，并计算时间差分作为观测值，提高测量数据精度。
通过迭代计算，达到差分计算效果的同时，简化数学模型，易于编程计算。
数学模型中引入声速参数，减少短基线定位中对声速的测量精度要求，并提高实际采用的声速的精度。
本申请降低了对水声换能器数量和安装方法的限制，水下定位易于实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于声呐的水下定位方法，其特征在于，包括：
获取多个水听器同步接收同一声源发出的声呐的接收时间；
获取信号差分数据，所述信号差分数据包括多个信号差分值，每一所述信号差分值为两个所述水听器的所述接收时间的时间差值；
基于所述信号差分数据和预先获取到的所述多个水听器的位置信息，确定所述声源的实际位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述基于所述信号差分数据和预先获取到的所述多个水听器的位置信息，确定所述声源的实际位置信息，包括：
确定所述声源的模拟位置信息；
将预先确定的声呐传播速度、各所述水听器的位置信息、所述信号差分数据和所述模拟位置信息输入至条件平差观测模型，得到所述条件平差观测模型输出的，所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值；其中，所述条件平差观测模型是以水听器的位置信息、信号差分数据、模拟位置信息为变量，用于确定声源的位置偏差值和声呐传播速度的声速偏差值的模型；
若确定所述位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且所述声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，则将所述模拟位置信息确定为所述声源的实际位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，在将预先确定的声呐传播速度、各所述水听器的位置信息、所述信号差分数据和所述模拟位置信息输入至条件平差观测模型之前，构建所述条件平差观测模型，具体包括：
获取信号差分值计算模型；所述信号差分值计算模型用于确定两个水听器的接收时间之间的时间差值；
获取第一距离计算模型；所述第一距离计算模型用于根据两个水听器的位置信息确定两个水听器的距离；
获取第二距离计算模型；所述第二距离计算模型用于根据声源与水听器间的信号传播时间与声呐平均传播速度，确定声源与水听器的距离；
根据所述信号差分值计算模型、所述第一距离计算模型、所述第二距离计算模型与接收时间的补偿值，确定第一观测模型；
对所述第一观测模型进行线性化处理，得到第二观测模型；
基于所述第二观测模型，构建条件平差观测模型。
4.根据权利要求3所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述条件平差观测模型的表达式为：
A·V+B·X-W＝O；
其中，x0、y0、z0分别为声源的模拟位置信息中x轴、y轴、z轴的坐标；T1n为信号差分数据中第一个水听器与第n个水听器之间的接收时间的差值；Ui、Vi、Wi分别为第i个水听器的位置信息中的x轴坐标、y轴坐标、z轴坐标；dx、dy、dz分别为声源的位置偏差值中的x轴坐标修正值、y轴坐标修正值、z轴坐标修正值；dv为声呐传播速度的声速偏差值；v0为声呐传播速度；Vti为第i个水听器对应接收时间的补偿值，为常数；A、B、X、W、V均为中间变量。
5.根据权利要求2所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述得到所述条件平差观测模型输出的，所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值之后，迭代执行以下步骤，直至确定所述位置偏差值处于第一预设偏差阈值范围内且所述声速偏差值处于第二预设偏差阈值范围内，以将获取的目标模拟位置信息，作为所述声源的实际位置信息：
若确定所述位置偏差值处于所述第一预设偏差阈值范围外或声速偏差值处于所述第二预设偏差阈值范围外，则更新所述模拟位置信息，并将更新后的模拟位置信息作为目标模拟位置信息；
基于所述条件平差观测模型，利用所述目标模拟位置信息重新确定所述声源的位置偏差值和所述声呐传播速度的声速偏差值。
6.根据权利要求5所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述更新所述声源的模拟位置信息，包括：
将所述声源的模拟位置信息中数值的二分之一作为更新数值；
通过所述更新数值对所述模拟位置信息中的数值进行替换，得到所述声源更新后的模拟位置信息。
7.根据权利要求4所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述声呐平均传播速度是根据声呐传播速度与所述声呐传播速度的声速偏差值确定的。
8.根据权利要求4所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述水听器的数量是基于所述条件平差观测模型对应的表达式中因变量的数量确定的。
9.根据权利要求1所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述水听器的位置信息是通过全球导航卫星系统或惯性定向定位导航系统获取的。
10.根据权利要求5所述的基于声呐的水下定位方法，其特征在于，所述第一预设偏差阈值范围为位置偏差阈值范围；所述第二预设偏差阈值范围为声速偏差阈值范围。
CN202310269669.XA 2023-03-20 2023-03-20 一种水下声呐差分定位方法 Active CN116449374B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310269669.XA CN116449374B (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种水下声呐差分定位方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310269669.XA CN116449374B (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种水下声呐差分定位方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116449374A true CN116449374A (zh) 2023-07-18
CN116449374B CN116449374B (zh) 2023-11-21

Family

ID=87132875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310269669.XA Active CN116449374B (zh) 2023-03-20 2023-03-20 一种水下声呐差分定位方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116449374B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116699618A (zh) * 2023-08-08 2023-09-05 中交第一航务工程局有限公司 一种水下声呐定位方法
CN117452413A (zh) * 2023-12-22 2024-01-26 深圳大学 一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165617A1 (en) * 2007-01-04 2008-07-10 Ocean Acoustical Services And Insrumentation Systems (Oasis) Inc. Methods of and systems for continually measuring the range between mobile underwater vehicles carrying acoustical signal transmitters and remotely deployed synchronized underwater acoustical receivers provided with signal processing for continually determining such range during the underwater moving of the vehicle, and for measuring acoustic underwater transmission loss, geoacoustical properties and for other purposes
CN109870694A (zh) * 2019-02-21 2019-06-11 哈尔滨工程大学 基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统
CN112083466A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 中国人民解放军61540部队 一种顾及时间偏差的海底应答器定位方法及系统
KR20220124460A (ko) * 2021-03-03 2022-09-14 연세대학교 산학협력단 음향 기반 수중 측위 장치 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165617A1 (en) * 2007-01-04 2008-07-10 Ocean Acoustical Services And Insrumentation Systems (Oasis) Inc. Methods of and systems for continually measuring the range between mobile underwater vehicles carrying acoustical signal transmitters and remotely deployed synchronized underwater acoustical receivers provided with signal processing for continually determining such range during the underwater moving of the vehicle, and for measuring acoustic underwater transmission loss, geoacoustical properties and for other purposes
CN109870694A (zh) * 2019-02-21 2019-06-11 哈尔滨工程大学 基于多无人艇平台的高精度长基线定位系统
CN112083466A (zh) * 2020-09-14 2020-12-15 中国人民解放军61540部队 一种顾及时间偏差的海底应答器定位方法及系统
KR20220124460A (ko) * 2021-03-03 2022-09-14 연세대학교 산학협력단 음향 기반 수중 측위 장치 및 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANG CONG: "Underwater robot sensing technology: A survey", FUNDAMENTAL RESEARCH, pages 337 - 345 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116699618A (zh) * 2023-08-08 2023-09-05 中交第一航务工程局有限公司 一种水下声呐定位方法
CN116699618B (zh) * 2023-08-08 2023-10-03 中交第一航务工程局有限公司 一种水下声呐定位方法
CN117452413A (zh) * 2023-12-22 2024-01-26 深圳大学 一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统
CN117452413B (zh) * 2023-12-22 2024-03-26 深圳大学 一种沉管隧道管节安装声呐定位方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN116449374B (zh) 2023-11-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN116449374B (zh) 一种水下声呐差分定位方法
CN102749622B (zh) 基于多波束测深的声速剖面及海底地形的联合反演方法
CN107664758B (zh) 基于长基线或超短基线组网的深海导航定位系统及方法
CN103299205A (zh) 用于移动基站rtk测量的系统和方法
CN103293512A (zh) 使用本地波传播模型定位
US9213100B1 (en) Bearing-only tracking for horizontal linear arrays with rapid, accurate initiation and a robust track accuracy threshold
CN110132281B (zh) 一种基于询问应答模式的水下高速目标高精度自主声学导航方法
CN112540348A (zh) 一种基于空间尺度上的声线修正算法在长基线水声定位系统上的应用
JP2020063958A (ja) 位置推定装置及び方法
CN112729291A (zh) 一种深潜长航潜水器sins/dvl洋流速度估计方法
WO2013124292A1 (en) Method and system for simultaneous receiver calibration and object localisation for multilateration
KR101700044B1 (ko) 복수의 gps 수신기 및 음향 측심기를 이용한 3차원 수중 지형정보 측량 시스템 및 방법
CN108387872B (zh) 基于最大偏移量法的超短基线定位优化方法
CN113048983A (zh) 一种异时序贯量测的改进分层式auv协同导航定位方法
CN113156413A (zh) 一种基于双程声路径的海底基准校准方法
CN115307643A (zh) 一种双应答器辅助的sins/usbl组合导航方法
Liu et al. A SINS aided correct method for USBL range based on maximum correntropy criterion adaptive filter
KR101833007B1 (ko) 도플러 비컨을 이용한 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법 및 시스템
CN111220146A (zh) 一种基于高斯过程回归学习的水下地形匹配定位方法
US6028823A (en) Geodetic position estimation for underwater acoustic sensors
CN112666519B (zh) 一种基于广义二阶时延差的水下目标高精度定位方法
CN113534161A (zh) 一种用于远距离定位水下声源的波束镜像聚焦方法
Vincent II Models, algorithms, and measurements for underwater acoustic positioning
CN113821766B (zh) 一种海洋声学导航系统误差改正方法
Lin et al. Source localization by frequency measurements in unknown signal propagation speed environments

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant